相控阵非相干散射雷达探测性能仿真与参数提取误差分析

发布时间：2020-10-17 12:46

　　 电离层(Ionosphere)是近地空间环境的关键层次之一,对电离层的探测在无线通信,导航定位等领域具有重要的价值。非相干散射雷达(ISR)已成为电离层探测的重要地面设备。鉴于ISR系统结构和探测目标的复杂性,雷达探测性能的仿真,电离层参数的提取以及误差分析都是该领域内的重要研究问题。本文中,依据回波信噪比和相对误差,建立了信噪比、探测精度、探测距离和积累时间之间关系的模型,开展了探测性能仿真的研究。此外,研究了电离层参数提取过程中的算法和理论,并对实测数据进行参数提取和误差分析。主要开展研究工作如下:第一部分:基于相控阵体制的三亚非相干散射雷达样机的设计参数,完成了雷达探测性能的仿真。建立了天线波束方向图,考虑了不同扫描角度下探测性能的仿真以及昼夜变化等因素对探测性能的影响。仿真中,雷达波束的天顶角大于23°时探测性能有明显削弱。夜间的探测性能较白天弱,可通过增加非相干积累时间对夜间探测性能的削弱进行补偿。第二部分:研究了功率谱和模糊函数理论。基于功率谱法参数提取过程,结合非线性最小二乘法(Levenberg-Marquardt method)与参数反演误差分析理论,研究了功率谱的拟合过程,完成实测数据的参数提取和误差分析。
【学位单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN958
【部分图文】：

第 1 章 引言究是必要的，特别是前期雷达系统探测性能的仿真，后期实测信号数据的参取和误差分析是该领域的研究重点。1.2 非相干散射雷达研究概况1.2.1 非相干散射雷达的发展非相干散射雷达(ISR)是一种进行电离层探测的大型地面雷达设备，可获0～2000 公里高度内的电子、离子的密度、温度和离子组分及漂移速度等参量是，ISR 建造成本和运营费用较高，技术比较复杂。如今全球也仅有十余部SR 正在运行，主要分布于美洲，欧洲，日本，俄罗斯等国，见图 1.1。

的设计上引入了很多先进理念[13,14]：采用模块化的有源相控阵天线，天线阵分为128 子阵，每个子阵排布 32 个天线单元，阵面共计 4096 个天线单元(4096 个功率为 500W 的 T/R 组件)。这种模块化设计和全固态发射技术，能实现瞬间的天线波束合成和扫描，每个模块间用网络技术完成数据交换，大大提高了信号与数据的处理效率。利用 EISCAT 三个雷达系统，欧洲非相干散射雷达科学协会在高层大气与电离层研究领域，很长一段时间处于世界领先地位，但近年来美国 AMISR 的雷达技术性能已经超越现有的 EISCAT 雷达系统。为此，EISCAT 团队提出了一个周密详尽的 EISCAT 雷达系统升级计划：EISCAT-3D 计划，目的是发展一种结合了高灵敏性、三维成像技术、干涉测量技术和多基地观测的相控阵列雷达。EISCAT-3D 旨在建立一个对高纬地区大气层和电离层进行全面三维观测的分布式相控阵雷达系统[15,16]。利用这一新的雷达技术，联合最新的数字信号处理技术将会获得较当前雷达高十倍的时空分辨率，具备连续观测能力，三维矢量漂移速度测量，短基线干涉测量能力；同时具备实时数据访问，自动数据分析和广泛的数据存档设施。

第 1 章 引言测网络，运用多种探测设备和手段，连续监测地球中高层大气、电离层、磁层、星际空间环境[18]。2012 年，在曲靖市建成了我国第一台非相干散射雷达[19]，工作频段 500MHz，峰值发射功率 2MW，采用口径 29m 碟形天线，测量的高度范围 90~1000km，开始了我国非相干雷达探测电离层的研究。2012 年，南昌大学承担的国家 863 项目—电离层非相干散射软件雷达关键技术[20]，项目研制了一部软件化的非相干散射雷达(简称：软件雷达)，并配套建立了一套系统仿真与信号、数据处理平台。软件雷达峰值发射功率为 500KW，工作频率 500MHz，与常规的 ISR 相比软件雷达建造成本和运行费用低，软件化的控制使雷达操作灵活、连续的运行，以及后续快速的信号数据处理[21]。2014 年，中科院地质与地球物理研究所牵头，联合中国电子科技集团第十四研究所和南昌大学申报了国家重大科研仪器研制项目——三亚非相干散射雷达(SYISR)，目前正在进行天线系统子阵面的相关调试工作。SYISR 建成后，将是东亚低磁纬地区第一台采用相控阵技术的非相干散射雷达，加强我国低纬地区的空间环境监测，服务于该地区的通信和导航。
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本文编号：2844799