全极化雷达目标检测与参数估计方法研究

发布时间：2018-03-26 13:52

本文选题：极化雷达　切入点：极化优化　出处：《国防科学技术大学》2016年博士论文

【摘要】：极化信息的获取和利用对提高雷达目标的检测和参数估计性能具有重要作用,在气象观测、对地遥感侦察和防空反导等领域得到了广泛应用。当前,信息技术的进步推动极化雷达快速发展,表现在:一方面,雷达天线技术和数字计算技术的发展催生了具有收发极化优化能力的全极化雷达。另一方面,信息测量手段的提高和信息来源途径的多样化使得人们能够掌握目标和环境的部分先验信息,发展基于知识辅助的自适应雷达系统。若能有效利用目标和环境的先验信息,同时对雷达波形和收发极化方式进行优化,有望实现对目标的“匹配照射”,获取比传统极化雷达更好的目标检测和参数估计性能。为此,亟需发展新的信息获取方法和测量体制条件下的信号处理技术。本论文面向全极化雷达系统,以波形自适应设计和收发极化优化为手段,通过对目标和环境信息的有效利用,深入研究了雷达目标的检测和参数估计方法,并利用目标的暗室测量数据和杂波实测数据对研究成果进行了验证,主要研究成果包括:在目标检测方面,针对目标、杂波先验信息部分已知和完全未知两种情形,分别研究了基于收发极化优化的信杂噪比改善方法和目标检测算法。1.针对目标和杂波先验信息部分已知的情形,基于广义分式规划理论,设计了一套发射波形和接收滤波器组迭代优化算法。该算法以滤波器组(其中每个滤波器对应某一特定视线角)输出最小信杂噪比为优化准则,同时要求发射波形满足功率约束和相似性约束条件,优化的目的即最大化这个最小信杂噪比。在性能分析环节,利用实测数据验证了算法的有效性,系统分析了雷达视线角不确定范围、滤波器规模等因素对信杂噪比的影响,并对比了该算法与现有典型算法间的性能差异。分析表明,发射波形和接收滤波器联合优化的全极化雷达较波形固定的传统极化雷达、发射波形和接收滤波器联合优化的单极化雷达均有显著的输出信杂噪比得益;而在整个视线角不确定区间内,本文的滤波器组方法较现有全极化发射波形和滤波器联合优化方法表现出更平稳的信杂噪比性能。2.针对目标和杂波先验知识均未知的情形,建立了发射极化可变的矢量测量系统的数学模型,基于广义似然比检测方法提出了一种非高斯杂波背景下目标的极化检测算法。从理论上推导了该检测器的检测性能表达式,指出了它的恒虚警属性以及发射极化矢量与检测性能之间的对应关系。设计了矢量测量条件下的性能分析实验,对非高斯杂波背景下的低速目标检测场景,该检测算法比另外两种典型极化检测器的抗杂波非高斯性更强;给定虚警概率条件下,该算法较上述两种检测器的检测性能更好,接近目标和杂波参数已知的最优极化检测器。比较了极化方式优化与极化方式固定系统间的性能差异,结果表明,在给定虚警概率条件下,经极化优化后的测量系统比传统极化雷达具有更好的检测性能。在此基础上,进一步对比了矢量测量与标量测量方式间的检测性能差异,结果证实,经发射极化优化的矢量测量系统和收发极化联合优化的标量测量系统间的检测性能相当。在目标参数估计方面,在建立标量测量系统的模型基础上,以目标散射矢量估计的均方误差为优化准则,给出了基于收发极化优化的目标散射矢量最优估计问题的数学形式。对于如何求解该优化问题,指出并证明了美国华盛顿大学学者J.Xiao方法的错误,随后提出了一种基于序贯估计的收发极化联合优化算法。该算法具有多项式级计算量,随着序贯次数的增加,经收发极化优化后的估计误差单调递减并收敛于稳定点。进一步将该极化优化方法推广至矢量测量系统,并给出了相应的发射极化优化流程。数值仿真方法和实测数据分析均表明,为取得同一估计误差,联合收发极化优化标量测量对信杂噪比的要求发射极化优化标量测量系统收发极化方式固定的标量测量系统;而经发射极化优化后的矢量测量系统和收发极化联合优化标量测量系统间的目标估计性能相当。论文选题紧密结合当前极化雷达技术发展的现实需求,综合采用理论推导、仿真实验和实测数据实验,提出了新的系统优化和信号处理方法,对于提高极化雷达目标检测和特性获取能力具有重要的参考价值。
[Abstract]:On the other hand , the improvement of the information measurement means and the development of the digital computing technology lead to the rapid development of the polarized radar . On the other hand , the improvement of the information measurement means and the diversification of the information source approach lead to the ability to master some of the prior information of the target and the environment and to develop the knowledge - assisted adaptive radar system . In this paper , based on generalized fractional programming theory , the paper presents a mathematical model of radar target detection and parameter estimation based on generalized fractional programming theory . The corresponding emission polarization optimization flow is also given . The numerical simulation method and the measured data analysis show that the target estimation performance is equivalent to the target estimation performance between the vector measurement system and the transmission / reception polarization optimization scalar measurement system with the same estimation error and the combined transmission / reception polarization optimization scalar measurement system . The paper selects the new system optimization and signal processing method by combining the theory derivation , the simulation experiment and the measured data experiment , and has important reference value for improving the target detection and characteristic acquisition ability of the polarized radar .

【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN957.51

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