基于极化稀疏阵列的高频地波雷达电离层杂波抑制方法研究
发布时间：2021-01-27 23:55
高频地波雷达工作在短波波段（3～30 MHz）,能够实现对海面目标和低空飞行器的超视距探测,是对国家200海里专属经济区内大范围海域进行实时监测的一种有效手段。但高频地波雷达所处的电磁环境较为复杂,易受到诸如短波电台、海杂波、电离层杂波及工业干扰等多种外部干扰的影响,从而制约了高频地波雷达的探测性能。这其中,电离层杂波以其存在时间长、覆盖范围广等众多特点,成为了影响高频地波雷达探测性能的主要因素。已有的杂波抑制方法主要根据电离层杂波的时频域、空域极化域等特性进行抑制,取得了一定的效果,但由于受到实际阵列性能的制约及阵列非理想因素（幅相不一致性、存在互耦效应等）的影响,这些杂波抑制方法的实际效果受到限制。本课题围绕高频地波雷达中的电离层杂波,从极化阵列特性的角度出发,致力于研究符合实际阵列接收数据特性的抗杂波方法,并在不增加雷达接收系统硬件成本和复杂度的前提下设计孔径更长的极化稀疏阵列。在此基础上,进一步研究符合实际极化稀疏阵列模型的电离层杂波抑制方法。全文的主要研究内容如下:首先,本文研究基于共点式双极化L阵的电离层杂波抑制方法。该共点式极化阵列由相互正交的均匀线阵组成,每个阵元上放置...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：158 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
带有E层杂波的回波信号幅度随脉冲数的变化
哈尔滨工业大学工学博士学位论文第二步，根据式(2-1)，可解出信号的俯仰角和方位角分别如下θ=arcsincos2α+cos2β,cosβ=sinθsin(2-2)和=arctan(cosβ/cosα)cosα>0arctan(cosβ/cosα)+180cosα<0(2-3)这里arctan(·)∈[90,90]。在原始RD谱中（如图2-3所示），设定功率门限对该图中的距离-多普勒单元做能量上的提取，获取被电离层杂波污染的距离-多普勒单元，然后将这些提取的距离-多普勒单元做DOA估计，得到该单元的俯仰角和方位角，然后将每个距离-多普勒单元上信号的俯仰角和方位角根据数值大小用不同颜色表征，就得到信号在距离-多普勒域上的俯仰角谱和方位角谱，分别如图2-5和图2-6所示[13]。为了方便对比，我们在上述图中加入了对海杂波和目标信号的DOA估计。图2-5俯仰角谱Fig.2-5Thepitchanglespectrum图2-6方位角谱Fig.2-6Theazimuthanglespectrum图2-5中俯仰角0对应天顶方向，90对应水平方向。图2-6中0对应主阵列法线方向，即指向海面正前方。图2-5显示，在可接受的估计误差范围内，电离层杂波的俯仰角较小，表明杂波主要来自接近天顶的方向，而海杂波和目标信号的俯仰角很大，这表明它们来自海面方向。从图2-6可以看到，目标信号和海杂波的方位角主要集中在正负45之间，而每片若干连续距离-多普勒单元中的电离层杂波方位基本一致，但不同区域的电离层杂波却对应于不同的方位角，表明不同区域的电离层杂波是由不同的电离层反射产生的，且每片电离层对应的方位角不同。-20-
哈尔滨工业大学工学博士学位论文普勒单元的极化参数统计起来取平均值，作为这片杂波的极化估计值。作为对比，我们将一并展示海杂波和目标信号的极化特性[13]。图2-8极化角谱Fig.2-8Thespectrumofpolarizationangle图2-9极化角相差谱Fig.2-9Thespectrumofpolarizationphasedelay类似RD谱，每个距离-多普勒单元上不同的颜色表示极化角和极化角相差不同的数值大小，这就得到杂波在距离-多普勒域上的极化角谱和极化角相差谱，其结果如图2-8和图2-9所示[13]。图2-8显示电离层杂波的极化角与海杂波及海面信号差异明显，同时连续存在电离层杂波的距离-多普勒单元上的极化角几乎一致。从图2-9也可以看到每片电离层杂波的极化角相差也基本保持一致，并与海杂波和海面信号差异明显。电离层杂波与目标信号在极化域上各参数的巨大差异为基于极化信息研究抗杂波方法奠定了物理基矗2.2.5抑制电离层杂波面临的主要问题从上一节的分析可以看出，电离层杂波在RD谱上常常占据并连续覆盖多个距离-多普勒单元。特别是F层杂波，不仅覆盖的距离-多普勒单元较多，而且往往出现在较远的距离单元上，同时能量较强，极大地影响了高频地波雷达超视距探测的性能。鉴于此，如何有效地抑制电离层杂波成为了改善高频地波雷达探测能力的关键。如前一章所述，尽量目前研究人员从多个角度提出了很多较为有效地抗杂波的方法，但从可靠性和有效性来看，对电离层杂波的抑制仍存在很多问题。归结起来主要体现在以下几个方面：（1）电离层杂波本身的复杂性增加了抗杂波算法的设计难度。电离层杂波的复杂性主要表现为其分布的广泛性，时域上的非平稳性，空域上的不确定性和传-22-
本文编号：3003966
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：158 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
带有E层杂波的回波信号幅度随脉冲数的变化
哈尔滨工业大学工学博士学位论文第二步，根据式(2-1)，可解出信号的俯仰角和方位角分别如下θ=arcsincos2α+cos2β,cosβ=sinθsin(2-2)和=arctan(cosβ/cosα)cosα>0arctan(cosβ/cosα)+180cosα<0(2-3)这里arctan(·)∈[90,90]。在原始RD谱中（如图2-3所示），设定功率门限对该图中的距离-多普勒单元做能量上的提取，获取被电离层杂波污染的距离-多普勒单元，然后将这些提取的距离-多普勒单元做DOA估计，得到该单元的俯仰角和方位角，然后将每个距离-多普勒单元上信号的俯仰角和方位角根据数值大小用不同颜色表征，就得到信号在距离-多普勒域上的俯仰角谱和方位角谱，分别如图2-5和图2-6所示[13]。为了方便对比，我们在上述图中加入了对海杂波和目标信号的DOA估计。图2-5俯仰角谱Fig.2-5Thepitchanglespectrum图2-6方位角谱Fig.2-6Theazimuthanglespectrum图2-5中俯仰角0对应天顶方向，90对应水平方向。图2-6中0对应主阵列法线方向，即指向海面正前方。图2-5显示，在可接受的估计误差范围内，电离层杂波的俯仰角较小，表明杂波主要来自接近天顶的方向，而海杂波和目标信号的俯仰角很大，这表明它们来自海面方向。从图2-6可以看到，目标信号和海杂波的方位角主要集中在正负45之间，而每片若干连续距离-多普勒单元中的电离层杂波方位基本一致，但不同区域的电离层杂波却对应于不同的方位角，表明不同区域的电离层杂波是由不同的电离层反射产生的，且每片电离层对应的方位角不同。-20-
哈尔滨工业大学工学博士学位论文普勒单元的极化参数统计起来取平均值，作为这片杂波的极化估计值。作为对比，我们将一并展示海杂波和目标信号的极化特性[13]。图2-8极化角谱Fig.2-8Thespectrumofpolarizationangle图2-9极化角相差谱Fig.2-9Thespectrumofpolarizationphasedelay类似RD谱，每个距离-多普勒单元上不同的颜色表示极化角和极化角相差不同的数值大小，这就得到杂波在距离-多普勒域上的极化角谱和极化角相差谱，其结果如图2-8和图2-9所示[13]。图2-8显示电离层杂波的极化角与海杂波及海面信号差异明显，同时连续存在电离层杂波的距离-多普勒单元上的极化角几乎一致。从图2-9也可以看到每片电离层杂波的极化角相差也基本保持一致，并与海杂波和海面信号差异明显。电离层杂波与目标信号在极化域上各参数的巨大差异为基于极化信息研究抗杂波方法奠定了物理基矗2.2.5抑制电离层杂波面临的主要问题从上一节的分析可以看出，电离层杂波在RD谱上常常占据并连续覆盖多个距离-多普勒单元。特别是F层杂波，不仅覆盖的距离-多普勒单元较多，而且往往出现在较远的距离单元上，同时能量较强，极大地影响了高频地波雷达超视距探测的性能。鉴于此，如何有效地抑制电离层杂波成为了改善高频地波雷达探测能力的关键。如前一章所述，尽量目前研究人员从多个角度提出了很多较为有效地抗杂波的方法，但从可靠性和有效性来看，对电离层杂波的抑制仍存在很多问题。归结起来主要体现在以下几个方面：（1）电离层杂波本身的复杂性增加了抗杂波算法的设计难度。电离层杂波的复杂性主要表现为其分布的广泛性，时域上的非平稳性，空域上的不确定性和传-22-
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