频率分集阵列雷达运动目标检测方法研究

发布时间：2017-05-23 15:16

  本文关键词：频率分集阵列雷达运动目标检测方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：运动目标检测是雷达系统的重要功能之一,机载/星载雷达下视工作面临严重的地海杂波,空时自适应处理(STAP)通过联合空域和时域信息能够大大改善慢速目标的检测性能,对实现运动目标的连续侦查、监视和跟踪具有重要作用,广泛应用在军用和民用领域。在高速运动雷达平台下,杂波多普勒谱严重扩散导致多普勒多重模糊,需要采用高重复频率雷达体制以降低多普勒模糊程度,然而高重复频率造成严重的距离模糊问题,此时距离模糊杂波抑制成为制约运动目标检测的关键问题。此外,在实际运动目标检测中,由于目标的精确参数通常是未知的,目标的约束导向矢量与其真实导向矢量是失配的,加之实际环境中存在小样本、样本非均匀非平稳以及目标信号污染训练样本等问题,造成传统方法性能的恶化。研究稳健波束形成方法解决实际误差条件下的杂波抑制和运动目标检测对于实际应用至关重要。另外,随着现代电子环境的复杂化,电子干扰手段在实际应用中时有出现,成为对雷达系统运动目标检测的重要威胁,亟需开展雷达系统有效的抗干扰方法以应对实际干扰环境,特别是欺骗式干扰条件下的运动目标检测困难的问题。本论文针对现代复杂电子环境下高速运动平台雷达目标检测所面临的电子干扰、地海杂波距离模糊、目标约束不准确、目标参数估计模糊等问题,充分挖掘雷达系统的空间、时间和频率多维信息,研究基于频率分集阵列(FDA)新体制雷达的运动目标检测信号处理方法,提高实际高速平台雷达系统的抗干扰能力、杂波抑制能力、灵活性以及稳健性。论文围绕国家自然科学基金重点项目“高速平台动目标检测方法研究”、“基于空间平台的空间目标检测、成像与识别方法研究”以及国家自然科学基金重大项目群“基于空间平台的微弱时敏目标协同检测与识别”等科研项目,对高速平台雷达系统运动目标检测进行了系统性研究,内容涵盖杂波与欺骗式干扰同时抑制、距离模糊杂波抑制、稳健波束形成方法以及目标参数无模糊估计,概括如下：1、针对现代电子环境下的复杂干扰抑制,特别是欺骗式干扰抑制问题,提出了基于FDA体制的多输入多输出(MIMO)雷达自适应距离角度二维波束形成方法,能够有效地抑制欺骗式干扰信号,实现真实目标的检测。首先建立了FDA信号模型,分析了FDA-MIMO雷达体制下目标信号在发射-接收二维空间频率域的分布特性,同时研究了存储转发欺骗式干扰信号形成机制,并分析了其在FDA-MIMO雷达体制下与真实目标信号可区分的维度。研究发现,由于FDA提供了信号处理距离维的自由度,真实目标与欺骗式干扰在发射空域频率域是可分的,基于此,提出基于直接数据域的稳健距离角度二维波束形成方法实现欺骗式干扰抑制。实质上,所提方法综合利用了真实目标和欺骗式干扰的距离和角度信息,因此,即便是主瓣方向的欺骗式干扰也能够被有效抑制。2、针对机载雷达运动目标检测面临的地海杂波和干扰抑制问题,提出了FDA体制下的空时距离三维自适应处理(STRAP)方法。利用MIMO虚拟发射孔径技术将发射自由度虚拟到接收端,由于FDA具有距离维可控自由度,STRAP方法能够综合利用空间角度、距离和多普勒三维信息进行自适应杂波和干扰同时抑制。实际上,由于杂波和欺骗式干扰在三维空间中的分布特性不一致,所提方法分两步实现：首先在补偿前数据域基于空间投影方法实现欺骗式干扰抑制,然后在补偿后数据域实现杂波和压制干扰同时抑制。3、针对高速平台雷达运动目标检测面临的距离模糊杂波抑制困难的问题,提出基于俯仰维FDA的STAP雷达距离模糊杂波分离与抑制方法。建立了俯仰维FDA体制下机载雷达回波信号模型,分析了杂波在俯仰频率域的分布特性,相比传统相控阵STAP雷达中杂波的俯仰频率分布特性而言,俯仰FDA体制下的距离模糊杂波在俯仰频率域具有明显的可分性,经过所提的杂波补偿方法处理后,不同距离模糊区域的杂波在偏仰频率域互相分开。所提的STAP预处理方法能够进一步实现距离模糊杂波分离。因而,所提方法能够有效地实现距离模糊杂波分离与抑制。由于不同距离模糊区域的杂波实现了分离,一定程度上克服了杂波的非平稳问题。此外,后续的杂波抑制可并行处理且所提方法同时解决了运动目标参数估计的距离模糊问题。4、针对目标约束不准确以及目标信号污染问题造成STAP处理器目标检测性能恶化的问题,提出了基于幅相联合约束的STAP方法。该方法增加了响应矢量的相位特性,并基于线性滤波器无失真响应特性,推导了相位约束的形式,不仅能够有效地提高目标的输出信杂噪比,具有良好的稳健性,而且能够确保输出的相位响应在空时二维空间的线性特性。考虑在高速前视阵列情况下,通过幅相联合约束的方法能够有效地提高雷达运动目标的检测性能,克服目标约束不准确和目标信号污染训练样本造成STAP性能恶化的问题。5、针对目标约束不准确造成传统波束形成和STAP方法性能下降的问题,提出了一种基于响应矢量优化的稳健波束形成方法。通过对传统线性约束最小方差(LCMV)波束形成器全1约束的一般化,考虑幅度和相位联合约束问题,基于最大化输出信噪比和最大化主瓣响应,建立了响应矢量最优化的目标函数和约束条件。为实现原始非凸优化问题的求解,进一步将约束矢量扩展到高维空间,通过半正定优化技术求得准最优的响应矢量。由于约束矢量的维数很小,所提方法的计算复杂度几乎可以忽略。通过理论分析证明了最优响应矢量的存在性,分析了目标信号污染情况下所提方法的有效性,仿真实验验证了所提方法在波束主瓣保形、旁瓣抑制以及输出信杂噪比上性能的优越性。6、针对高速平台下运动目标参数估计存在的模糊问题,提出了基于FDA体制的MIMO雷达目标距离角度参数联合估计方法。利用FDA阵列的距离维可控自由度,并联合角度自由度,实现了目标距离角度联合估计。为了克服目标参数估计的距离模糊度问题,提出了基于目标主值距离先验信息的补偿方法,并分析了补偿后的目标在发射-接收二维空间中的分布特性,理论分析发现,目标的距离模糊数导致了目标在发射-接收二维空间中的分离特性。所提的目标参数估计方法包含三步：首先利用目标接收空域频率仅依赖于角度的特征估计目标的角度参数,然后在发射-接收二维空间实现目标的距离模糊数估计,最后通过超分辨估计方法提高目标距离参数的估计精度。仿真实验验证了所提方法能够有效地实现目标的无模糊参数估计,并大大提高了目标的距离估计精度。
【关键词】：运动目标检测 空时自适应处理 模糊杂波抑制 频率分集阵列 稳健波束形成
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN957.51
【目录】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-16
• 符号对照表16-18
• 缩略语对照表18-24
• 第一章 绪论24-40
• 1.1 研究背景与意义24-25
• 1.2 运动平台阵列雷达动目标检测的研究现状25-30
• 1.2.1 机载运动目标检测雷达系统25-28
• 1.2.2 机载运动目标检测面临的关键问题28-29
• 1.2.3 频率分集阵列雷达实验系统29-30
• 1.3 运动平台阵列雷达动目标检测方法的研究现状30-36
• 1.3.1 STAP方法研究历史及现状30-33
• 1.3.2 稳健波束形成研究历史与现状33-35
• 1.3.3 频率分集阵列研究现状35-36
• 1.4 本论文的内容与安排36-40
• 第二章 频率分集阵列MIMO雷达干扰抑制40-58
• 2.1 引言40-42
• 2.2 频率分集阵列雷达模型42-45
• 2.2.1 频率分集阵列发射方向图42-44
• 2.2.2 频率分集阵列接收方向图44-45
• 2.3 频率分集阵列MIMO雷达信号45-47
• 2.4 频率分集阵列MIMO雷达干扰抑制方法及性能分析47-51
• 2.5 实验结果及分析51-57
• 2.5.1 频率分集阵列方向图51-53
• 2.5.2 频率分集MIMO雷达干扰抑制53-57
• 2.6 本章小结57-58
• 第三章 机载雷达空时距离自适应信号处理方法58-72
• 3.1 引言58-59
• 3.2 机载频率分集阵列雷达信号模型59-62
• 3.3 杂波及干扰的分布特性62-64
• 3.4 杂波和欺骗式干扰同时抑制方法64-66
• 3.5 实验结果及分析66-71
• 3.5.1 杂波和干扰的频谱分布67-68
• 3.5.2 FDA-MIMO STAP雷达三维处理68-69
• 3.5.3 性能分析69-71
• 3.6 本章小结71-72
• 第四章 机载频率分集阵列雷达距离模糊杂波抑制方法72-94
• 4.1 引言72-73
• 4.2 俯仰频率分集空时二维信号模型73-76
• 4.3 距离模糊杂波抑制方法76-83
• 4.3.1 频率步进量的设计准则79-81
• 4.3.2 雷达跟踪模式应用分析81
• 4.3.3 雷达广域监视模式应用分析81-83
• 4.4 仿真实验与讨论83-91
• 4.4.1 杂波的空时二维分布83-84
• 4.4.2 俯仰维杂波谱分布84-85
• 4.4.3 离模糊杂波分离结果85-87
• 4.4.4 空时自适应处理预滤波设计87-89
• 4.4.5 雷达跟踪模式仿真分析89-90
• 4.4.6 信杂噪比损失性能分析90-91
• 4.5 本章小结91-94
• 第五章 基于幅相联合约束的稳健空时自适应处理方法94-116
• 5.1 引言94-95
• 5.2 空时二维信号模型95-97
• 5.3 基于幅相联合约束的稳健空时自适应处理方法97-101
• 5.4 高速平台前视阵空时处理应用分析101-105
• 5.4.1 杂波自由度分析101-102
• 5.4.2 基于幅相约束的降维稳健STAP方法102-105
• 5.5 实验结果及分析105-114
• 5.5.1 STAP雷达的幅度响应比较105-106
• 5.5.2 STAP雷达的相位响应比较106-107
• 5.5.3 信号杂波噪声比(SCNR)损失性能比较107-110
• 5.5.4 高速前视阵雷达降维STAP方法性能分析110-114
• 5.6 本章小结114-116
• 第六章 响应矢量约束的稳健LCMV方法116-134
• 6.1 引言116-117
• 6.2 信号模型与问题描述117-119
• 6.3 响应矢量约束的稳健处理方法119-121
• 6.4 性能分析与讨论121-125
• 6.4.1 秩一解的存在条件与求解方法121-123
• 6.4.2 对角加载技术分析123-124
• 6.4.3 约束矩阵的低秩逼近124-125
• 6.4.4 计算复杂度分析125
• 6.5 实验结果与分析125-133
• 6.5.1 阵列自适应波束形成方向图125-127
• 6.5.2 输出信干噪比性能分析127-129
• 6.5.3 空时自适应处理二维频率响应129-131
• 6.5.4 输出信杂噪比性能分析131-132
• 6.5.5 信杂噪比损失性能分析132-133
• 6.6 本章小结133-134
• 第七章 频率分集阵列雷达目标参数解模糊方法134-156
• 7.1 引言134-135
• 7.2 共址频率分集MIMO雷达信号模型135-137
• 7.3 无模糊距离角度联合估计方法137-143
• 7.3.1 距离依赖补偿方法138-141
• 7.3.2 距离角度联合估计方法141-142
• 7.3.3 频率步进量设计准则142-143
• 7.4 参数估计性能分析143-146
• 7.5 仿真实验与分析146-154
• 7.5.1 发射接收二维空域的Capon谱分布147-149
• 7.5.2 距离角度联合估计性能149-152
• 7.5.3 克拉美罗界分析152-154
• 7.6 本章小结154-156
• 第八章 总结和展望156-160
• 8.1 研究结论156-157
• 8.2 研究展望157-160
• 参考文献160-174
• 致谢174-176
• 作者简介176-178

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 刘颖;廖桂生;李海;;动目标检测、定位与成像方法研究[J];系统工程与电子技术;2005年12期

2 李文明;;相干动目标检测器中的正交双通道不平衡效应[J];现代雷达;1988年01期

3 郭志芬,张玉兰;图象动目标检测[J];北京理工大学学报;1992年03期

4 郑世超;宋红军;刘亚波;闫贺;吴琨;;广域监视动目标检测模式下动目标快速定位误差分析[J];雷达学报;2013年04期

5 胡爱明;胡可欣;;一种基于优化设计的动目标检测方法及其运用[J];航天电子对抗;2006年06期

6 胡可欣;胡爱明;;一种优化设计的动目标检测方法及其运用[J];火控雷达技术;2007年02期

7 刘书君;袁运能;魏俊;毛士艺;;双通道与单通道相结合的运动目标检测新方法[J];信号处理;2008年03期

8 林文耀;覃亚丽;胡海容;;基于分数傅立叶变换的机载SAR多运动目标检测[J];计算机与数字工程;2009年01期

9 刘敬兴;;地面探测脉冲压缩雷达的动目标检测[J];电子技术应用;2010年01期

10 史洪印;;基于道路辅助的机载SAR动目标检测和参数估计[J];燕山大学学报;2012年05期

中国重要会议论文全文数据库 前8条

1 王新勇;梁国龙;惠俊英;郭龙祥;;宽带多频动目标检测的仿真研究[A];2001年全国水声学学术会议论文集[C];2001年

2 王磊;;双置条件下运动目标检测方法[A];2008年全国声学学术会议论文集[C];2008年

3 祁亚斌;周军红;;基于二维最大熵的运动目标检测[A];计算机技术与应用进展·2007——全国第18届计算机技术与应用（CACIS）学术会议论文集[C];2007年

4 穆文争;张晓玲;;一种新的多通道SAR运动目标检测方法[A];2007北京地区高校研究生学术交流会通信与信息技术会议论文集（上册）[C];2008年

5 王宏群;方帅;高明;;基于抑制光强变化影响的运动目标检测[A];第十四届全国图象图形学学术会议论文集[C];2008年

6 唐勇;张桂林;李利荣;;基于光流的运动目标检测方法研究[A];全国冶金自动化信息网年会论文集[C];2004年

7 郭锐;王建国;;基于特征分解的多通道SAR运动目标检测[A];2006北京地区高校研究生学术交流会——通信与信息技术会议论文集（上）[C];2006年

8 王睿;国智;王凤宇;;利用动态参数检测红外动目标的算法研究[A];中国仪器仪表学会第九届青年学术会议论文集[C];2007年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 许京伟;频率分集阵列雷达运动目标检测方法研究[D];西安电子科技大学;2015年

2 郑明洁;合成孔径雷达动目标检测和成像研究[D];中国科学院研究生院（电子学研究所）;2003年

3 危嵩;机载合成孔径雷达动目标检测与成像研究[D];华中科技大学;2005年

4 王东升;视频运动目标检测及其实时处理系统研究[D];电子科技大学;2004年

5 宁蔚;机载/星载雷达地面动目标检测方法研究[D];西安电子科技大学;2005年

6 潘翔;运动目标检测[D];浙江大学;2003年

7 张立峰;动目标检测、成像与参数估计方法研究[D];西安电子科技大学;2013年

8 张云;高分辨SAR运动目标检测与成像若干技术研究[D];哈尔滨工业大学;2010年

9 孟祥东;空时二维自适应信号处理与动目标检测[D];西安电子科技大学;2009年

10 王欢;运动目标检测与跟踪技术研究[D];南京理工大学;2009年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 夏斌伟;视频监控中的运动目标检测与跟踪[D];华南理工大学;2015年

2 亓萌;双基地SAR动目标检测及成像研究[D];电子科技大学;2015年

3 王龙;动态场景建模与运动目标检测方法研究[D];电子科技大学;2014年

4 黄蒙;基于FPGA的雷达运动目标检测系统设计[D];西安电子科技大学;2014年

5 罗一淳;SAR转动目标检测与参数估计方法研究[D];国防科学技术大学;2013年

6 柴国强;机载SAR动目标检测及参数估计技术研究[D];电子科技大学;2014年

7 苏靖峰;基于激光扫描的运动目标检测与识别[D];电子科技大学;2014年

8 李春海;DBS成像与广域地面动目标检测、定位方法研究[D];西安电子科技大学;2014年

9 宋琳;机载SAR地面动目标检测和成像算法研究[D];哈尔滨工业大学;2008年

10 薄兰尧;机载合成孔径雷达动目标检测方法研究[D];西安电子科技大学;2006年

  本文关键词：频率分集阵列雷达运动目标检测方法研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：388323