《论文实例：舰载高频地波雷达目标检测与估值研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《论文实例：舰载高频地波雷达目标检测与估值研究（13页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、论文实例：舰载高频地波雷达目标检测与估值研究作者简介：谢俊好，男，1972年06月出生，1995年03月师从于哈尔滨工业大学刘永坦教授，于2001年04月获博士学位。摘要高频地波雷达(HFSWr)利用垂直极化电磁波沿海面绕射传播的机理，既能实现对海上舰船和低空飞行目标的超视距探测，又可用于海态遥感等民用事业。舰载HFSWr除具有岸基HFSWr的特点外，更突出的优势在于其灵活机动性，其研制近年来引起广泛关注。相比于岸基HFSWr，舰载HFSWr信号处理的难点在于一阶海杂波展宽谱中舰船目标的检测与估值，本文对此进行了深入研究。1理论分析了舰载HFSWr一阶海杂波谱的展宽机理，给出其展宽数学模型。平
2、台运动时，雷达分辨单元内不同方向的一阶海杂波回波被附加不同的多普勒频移，使得岸基情形时强大的一阶bragg峰(单频)被展宽，这已被舰载HFSWr数据采集试验所获得的实测海杂波数据处理结果所证实。因此影响展宽谱中船目标检测的主要干扰为具有相同多普勒频率但方位不同的一阶海杂波，这也是全文的基础与出发点。2首次系统地研究了舰载HFSWr的时空处理。类似于机载预警雷达(AEW)的地杂波抑制，基于舰载HFSWr一阶bragg杂波存在时空二维耦合特性，本文将天线相位中心偏置(DPCA)技术推广并应用于舰载HFSWr的一阶海杂波抑制。考虑到实际平台运动速度的波动，提出了通过空域插值获得等效阵元信号进行DPC
3、A处理的方法。计算机仿真结果表明：当平台运动速度与理想速度偏离较小时，可通过空域插值获得较好的杂波抑制效果。进一步，基于阵列采样信号的时空等价性，本文还提出了基于时域插值进行DPCA处理的方法，结果表明只要平台匀速直线运动，通过时域插值就可获得较好的杂波抑制效果，这大大放松了空域插值方法对平台运动速度的限制。理论证明在理想条件下上述DPCA处理对单频的正负一阶bragg峰是最优的，但实际相邻阵元及各接收机通道间的非理想因素将影响一阶海杂波的抑制效果。实际系统中影响通道间幅相不一致性的因素主要有两个：天线阵元不一致(包括舰体多路径影响)、接收机通道幅相误差，但两者具有显著特点：不同方位入射信号，
4、阵元的幅相误差不同，但与距离无关，一般是非时变的；而通道幅相误差与入射信号距离有关，与方位无关，一般是缓慢时变的。这样尽管实际系统中多路径及阵元、通道不一致引起的幅相误差是耦合在一起的，但仍可以分别进行补偿。3理论研究了机载预警雷达地杂波、舰载HFSWr一阶海杂波的特征谱，获得其解析表达式。DPCA是一种最简单的空时二维自适应处理，它需要满足特殊条件。由于舰载HFSWr的一阶海杂波具有时空耦合的二维谱，因此最佳杂波抑制应采用空时自适应处理(STAP)。本文利用卡亨南洛厄维展开(KLE)对观测时间、带宽为的限带谱连续随机过程进行展开，得到其特征谱的解析表达式，即大特征值个数为。进一步通过理论证明
5、及计算机模拟，将连续限带谱的结论推广至离散序列情形，给出了机载预警雷达二维地杂波特征谱的表达式。针对舰载HFSWr的一阶bragg展宽谱等带通谱情形，理论分析得到了其特征谱表达式，这与实测数据处理结果非常一致，可用于空时二维自适应处理结构的简化。此外还对自适应方向图综合法进行必需的修正简化，以适用于STAP的降维处理。4采用正交加权法抑制海杂波、两分裂波瓣比幅测角，首次实现了舰载HFSWr的目标检测与测角。综合前面分析并考虑到实际系统简化与实时性，本文提出了时域多普勒滤波级联空域零点自适应的杂波抑制方法正交加权法的目标检测方案。对于因正交加权处理可能出现的目标波束主瓣分裂而产生的测角困难，本文
6、提出了采用两个分裂波瓣比幅测角的方法。实测数据处理结果表明时域插值DPCA、正交加权较直接利用岸基方法能显著提高目标信噪比，实现目标检测，但正交加权法改善更大。正交加权法对半合作目标由上海开往大连的“长松”轮连续跟踪最大距离达90km，对非合作目标连续跟踪达140km以远。这是迄今为止有关舰载HFSWr实际目标检测、跟踪试验的最新结果，国内外尚未见报道。5首次进行了岸基HFSWr的实测数据超分辨处理、舰载HFSWr超分辨原理应用分析。关于方位估值，本文首先分析其两个基本要素：测角精度及角分辨力，并引用大量理论分析结果说明岸基HFSWr所采用的和差比幅测角的测角精度和角分辨力，证实常规波束形成法
7、的角分辨力可用波束宽度近似表示，其测角精度较高且近似于最大似然法。鉴于HFSWr工作波长较长、常规波束形成角分辨力较差的缺点，基于目标在距离多普勒平面分布的理论分析，本文利用相邻距离、多普勒频率单元信号估计阵列协方差阵，并分别利用MVDr、MUSIC、预白化MUSIC方法进行超分辩处理，实测的合作飞机目标数据处理结果表明超分辩方法能明显提高阵列角度分辨力。前面的舰载HFSWr正交加权处理仅适用于单目标情形，且存在目标幅度可能受衰减的缺点。对此，本文还分析了超分辩方法应用于舰载HFSWr的基本原理及其优点，但由于存在实际舰载HFSWr阵元幅相测试补偿、阵列协方差阵矩阵估计等困难，超分辨方法在舰载
8、HFSWr上的具体应用还有待于进一步研究。6全面、定量地分析了MVb、MVDr的超分辨特性，提出改进算法EMVDr。MVb、MVDr虽是广泛应用的超分辨方法，但其超分辨性能仍缺乏系统、定量的分析。本文对等间距线性阵的单点源、双点源入射情形分别进行研究：对于单点源情形，基于MVb的不同输出、MVDr及其若干改进算法，分别导出谱峰的宽度表达式，并与有关文献结果相比较，在此基础上提出了改进的EMVDr算法；对于等强度、不等强度的两个非相干点源情形，分别获得了MVDr最小可分辨方位差(MAS)的近似式，理论证明了大信噪比时归一化的MAS与MVDr能分辨相应两个点源时所要求的信噪比的线性关系。这些结果可
9、用于实际系统MVDr超分辨能力的理论估算。结合前面的理论分析及实测数据处理结果，可以认为舰载HFSWr一阶海杂波展宽谱中船目标的检测与估值问题得到较好解决。今后的工作将主要集中在超分辩方法的实际应用、时空二维联合处理简化结构两方面，可以预计舰载HFSWr将在预警、目标指示、海态遥感等方面发挥更大的作用。关键词舰载高频地波雷达；空时自适应处理；目标检测；方位估值；超分辨处理ATrACTHighFrequencySurfaceWaveradar(HFSWr),utilizingaverticalpolarizationelectromagneticwavethatfollowsthecurvatu
10、reoftheearthalongtheair-waterinterfacewithlowpropagationloonhighlyconductiveoceansurface,coulddetectandtracktargetsbeyondthehorizonsuchasveelsontheseaandaircraftsatalowaltitude.Itprovidesanewtechniqueforremoteseingofseastateandtrafficcontroloverthesea.besidesthesecharacteristics,shiorneHFSWralsoprov
11、idesagilityandmaneuverability,whichhasattractedanumberofcountriesattentionindecades.ComparedwithohoreHFSWr,thedifficultyinsignalproceingforshiorneHFSWrishowtodetectandestimateshiwhoseDolerfrequenciesaearedinthereadingdomainofthebragglines.Themainpurposeofthisdiertationistosolvetheproblembothintheory
12、andinpractice.1.ThereadingmechanismofthebragglinesinshiorneHFSWrisanalyzedandmathematicalreadingmodelisgiven.Itisthevectorialsummationoftheplatformmotionwiththatoftheclutterreturnfromdifferentdirectiowithintheradarrangecellthatresultsinreadingofthebragglines,whichareverifiedbyexperimentalresultsfrom
13、theshiorneHFSWrdatacollectionexperimentconductedin1998.Therefore,themaininterferencefordetectionoftargetsinthereadingdomainisthefirstorderseaclutterreturfromthedirectiondifferentfromtargetsazimuthbutwiththesameDolerfrequencywithcoiderationofplatformmotion.2.ace-timeadaptiveproceinginshiorneHFSWrissy
14、stematicallyanalyzedforthefirsttime.byanalogywiththegroundclutterrejectioninAirborneEarlyWarning(AEW)radar,DilacedPhaseCenterAntea(DPCA)techniqueisextendedforsureionofthefirstorderseaclutterinshiorneHFSWr.Moreover,interpolationinatialdomainisproposedtoretrievesignalforDPCAproceingincoiderationofthev
15、ibrationoftheplatformmotion.Simulationresultsshowthatthemethodcanremarkablyattenuatethefirstorderseaclutterwhentheplatformvelocityslightlyvibratesoverthetheoreticalvalue.FurthermoreDPCAproceingwithinterpolationintemporaldomainisgivenbasedontheace-timeequivalenceofsignal,whichdramaticallyeasetherestr
16、ictionontheplatformvelocityrequiredbyinterpolationinatialdomain.TheoreticalanalysisshowsthatDPCAwithinterpolationintemporaldomaincandetecttargetifonlytheplatformmovesatcotantvelocity.ItcanbeprovedthattheaboveDPCAproceingisoptimalunderidealconditio.Howevernonidealfactorsinseorsandreceiverswilldeterioratetheeffect.Thedifferencesinamplitudeandphrasebetweenseorsarerelatedtoazimuthonly,whicharestationary.Onthecontrary,thedi
