新体制天波超视距雷达信号处理研究

发布时间：2017-05-09 14:03

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【摘要】：传统天波超视距雷达(OTHR)一般基于相控阵双基地体制,发射和接收阵列均采用线阵,雷达理论已基本成熟,工作性能和信号处理方法受到传统体制的制约。本文研究新体制天波超视距雷达,引入两个关键要素:多输入多输出(MIMO)技术和二维发射/接收阵列。MIMO技术可以增加雷达信号个数,多频信号工作可利用电离层传播特性实现对目标进行多径探测,提高检测和估计性能。发射信号之间相互正交,超视距雷达可扩展为分布式多站体制。雷达阵列采用二维布阵,具有俯仰角分辨力,因此信号处理端可进行二维波束形成,分辨和运用多径信号及其内在关系。此外,新体制超视距雷达可采用环境认知的工作方式,设计随环境变化的发射信号或滤波器,使雷达能在复杂干扰情况下稳健工作。本文针对新体制天波超视距雷达的信号处理进行了研究,主要工作和贡献如下:(1)二维阵列超视距雷达实时频点选择方法二维阵列可进行俯仰维波束形成,借助射线追踪技术,对OTHR选频工作有重要意义。传统OTHR在获取返回散射电离图后,无法分辨多径或多模信号,因而不能针对任务区域地面距离选取最优频点。OTHR在具备二维阵列后,可对电离图进行方位和俯仰角二维波束形成,借助电离层模型和射线追踪技术,为雷达选取针对任务区域地面距离具有最大信噪比的频点。(2)干扰和噪声环境下的波形设计超视距雷达所在高频环境复杂且时变,传统方法采用固定波形(如线性调频信号),依靠选取频点来避开干扰,在密集干扰频段可能遇到困难。本文提出基于环境感知的波形设计及工作方案,使OTHR能够在干扰和噪声下进行工作,无需改变信号处理架构。考虑到雷达波形的主旁瓣性能,波形设计引入相似度约束条件。本文推导了约束下最优化输出信干噪比的波形解析解。(3)滤波器设计抑制干扰和噪声考虑到波形设计和更新对OTHR发射硬件要求高,本文还研究了抑制干扰和噪声的滤波器设计,推导了在相似度约束下最优化输出信干噪比的滤波器解析解。比较其他波形和滤波器方案,滤波器设计能有效抑制干扰噪声,输出主旁瓣稳健。并且,OTHR滤波器设计无需训练数据,可直接采用正常接收数据,实用性强。(4)新体制超视距雷达测高理论研究传统超视距雷达对空中目标的高度测量一直是个难题。新体制OTHR从二维阵列和多径的角度考虑该问题。借鉴分布式MIMO普通雷达(非超视距雷达)通过多径对目标进行定位和速度矢量估计,新体制OTHR多径回波可由不同工作频点或电离层分层产生,且二维阵列可分辨路径俯仰角。本文从理论上推导了OTHR对目标高度估计可行的充分条件,并给出了估计方差下限即克拉美-罗界(CRB)。(5)MIMO-OTHR联合估计目标状态和污染频移超视距雷达对海面目标的估计受到电离层相位污染的影响。本文建立了OTHR在采用MIMO技术和二维阵列情况下,受到海杂波和相位污染影响的接收信号模型,其中相位污染建模为未知确定频移。推导了联合估计目标距离和速度及污染频移的最大似然估计方法和克拉美-罗界。(6)MIMO-OTHR多站多径信号联合处理和目标检测利用正交信号,超视距雷达可采用分布式布站体制和多站信号联合处理。本文考虑到分布式小口径阵列MIMO-OTHR的特点,优化多站信号处理架构,在提高信号处理效率的同时保持基本性能。结合信号处理结果在时空频域上的特点,给出了相适应的多站联合目标检测和定位方法。
【关键词】：超视距雷达(OTHR) 多输入多输出(MIMO)技术 二维阵列 波形/滤波器设计 干扰抑制 联合估计
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN957.51
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 主要符号说明12-13
• 第一章 绪论13-19
• 1.1 研究背景及意义13-15
• 1.2 研究动态及发展现状15-17
• 1.3 本文的主要内容及安排17-19
• 第二章 二维阵列OTHR频率管理与选频方法19-29
• 2.1 引言19
• 2.2 频率管理设备简介19-20
• 2.3 电离层模型与射线追踪20-21
• 2.4 二维阵列OTHR选频方法21-25
• 2.5 仿真结果25-28
• 2.6 本章小结28-29
• 第三章 OTHR干扰及噪声下的波形设计29-46
• 3.1 引言29
• 3.2 波形设计方案讨论29-31
• 3.3 相似度约束下的波形设计31-37
• 3.3.1 常规信号处理信杂噪比31-34
• 3.3.2 约束下的波形设计算法34-37
• 3.4 OTHR波形设计方案37-40
• 3.4.1 环境中干扰噪声监测38-39
• 3.4.2 干扰噪声特性的估计39
• 3.4.3 相似度约束下波形设计39-40
• 3.4.4 雷达工作与信号处理40
• 3.5 仿真结果与分析40-45
• 3.5.1 环境仿真40-41
• 3.5.2 干扰特性估计41-42
• 3.5.3 波形设计42-43
• 3.5.4 信号处理结果43-44
• 3.5.5 参数影响分析44-45
• 3.6 本章小结45-46
• 第四章 OTHR滤波器设计抑制干扰和噪声46-70
• 4.1 引言46
• 4.2 相似度约束下滤波器设计46-55
• 4.2.1 设计准则46-48
• 4.2.2 滤波器设计算法48-51
• 4.2.3 仿真结果51-55
• 4.3 波形/滤波器设计方案比较55-63
• 4.3.1 五种方案描述55-57
• 4.3.2 输出信噪比比较57-58
• 4.3.3 输出序列主旁瓣控制58-59
• 4.3.4 方案实现软硬件要求59
• 4.3.5 仿真结果59-63
• 4.4 滤波器设计抑制射频干扰63-69
• 4.4.1 背景63-64
• 4.4.2 滤波器设计方案64-66
• 4.4.3 试验结果66-69
• 4.5 本章小结69-70
• 第五章 新体制天波OTHR测高理论研究70-90
• 5.1 引言70-71
• 5.2 多径信号模型71-73
• 5.3 联合估计与信息矩阵73-76
• 5.4 估计性能讨论76-81
• 5.4.1 多径或多阵元时可估计76-78
• 5.4.2 单径及单阵元时不可估78
• 5.4.3 估计精度讨论78-81
• 5.5 扩展到速度矢量估计81-83
• 5.5.1 联合估计与信息矩阵81-82
• 5.5.2 估计性能讨论82-83
• 5.6 仿真83-88
• 5.6.1 位置高度最大似然估计83-85
• 5.6.2 位置高度克拉美-罗界分析85-88
• 5.6.3 联合速度估计性能88
• 5.7 本章小结88-90
• 第六章 MIMO-OTHR目标状态和污染频移估计90-102
• 6.1 引言90
• 6.2 信号模型90-93
• 6.3 目标状态和污染频移联合估计93-95
• 6.4 联合估计克拉美-罗界95-98
• 6.5 仿真结果98-101
• 6.5.1 最大似然估计性能98-100
• 6.5.2 雷达参数影响100-101
• 6.6 本章小结101-102
• 第七章 OTHR多站多径信号联合处理和目标检测102-125
• 7.1 引言102
• 7.2 多站多径模型102-104
• 7.3 检测器分析104-110
• 7.3.1 分布式检测器105-108
• 7.3.2 集中式检测器108-110
• 7.3.3 检测器比较110
• 7.4 联合处理架构优化110-115
• 7.5 多站联合目标检测115-120
• 7.5.1 时空频域表现115-118
• 7.5.2 检测处理方法118-119
• 7.5.3 目标辨识定位119-120
• 7.6 仿真120-124
• 7.7 本章小结124-125
• 第八章 全文总结与展望125-127
• 致谢127-128
• 参考文献128-136
• 攻读博士期间取得的研究成果136-138

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本文编号：352610