米波數(shù)字陣列雷達(dá)低仰角測高方法研究.pdf

1、米波雷達(dá)波長較長，在反隱身、抗反輻射導(dǎo)彈等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，且作用距離遠(yuǎn)，衰減比微波小，近年來受到世界各國的普遍重視。但受天線尺寸的限制，米波陣列雷達(dá)天線主瓣波束較寬，角分辨率差，天線副瓣高，抗干擾能力差。在探測遠(yuǎn)距離目標(biāo)時(shí)，由于波束較寬，俯仰維波束會(huì)“打地”，雷達(dá)接收信號中除了直接從目標(biāo)反射回來的信號外，還有從多徑效應(yīng)產(chǎn)生的鏡面反射和漫反射等多徑信號。多徑效應(yīng)對低空目標(biāo)的仰角測量影響較大，從而影響了對目標(biāo)高度的準(zhǔn)確測量。因此提高米波

2、雷達(dá)在低仰角區(qū)的測角和測高精度是亟待解決的關(guān)鍵難題。
　　本人在前人工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合目前承擔(dān)的科研任務(wù)，從若干方面圍繞米波數(shù)字陣列雷達(dá)的低仰角測高問題展開工作，具體工作概括如下:
　　1.在綜合考慮數(shù)字陣列雷達(dá)信號處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用DSP和FPGA相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)一種高性能軟件化數(shù)字信號處理機(jī)，整個(gè)信號處理機(jī)基于CPCI總線，采用高速串行通道提高板間數(shù)據(jù)傳輸速率，采用交叉開關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號處理板間的動(dòng)態(tài)互聯(lián)，提高雷達(dá)信

3、號處理機(jī)的性能。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，具有很好的通用性和可擴(kuò)展性，具有較高的實(shí)用價(jià)值。另外，研究兩維數(shù)字陣列雷達(dá)的數(shù)字單脈沖測角方法，分析基本單脈沖測角過程中存在的問題，提出一種改進(jìn)的基于窗函數(shù)的二維數(shù)字陣列雷達(dá)單脈沖測角方法。該方法在差波束形成過程中考慮不同工作頻率、不同波位的天線等效孔徑的變化。針對測角誤差信號的非線性特征，在根據(jù)誤差信號計(jì)算目標(biāo)角度時(shí)采用多階多項(xiàng)式擬合的方法，不僅減少單脈沖誤差曲線的數(shù)目，而且簡化數(shù)據(jù)處理中大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

4、和查表的運(yùn)算，便于工程實(shí)現(xiàn)，更重要的是消除建立誤差曲線表時(shí)的量化誤差和減小線性近似時(shí)的測量誤差。
　　2.研究基于廣義約束MUSIC算法的低仰角測高方法。約束MUSIC算法利用已知的信源方向來提高未知信源估計(jì)精度，而且不受信源相干的影響。把該算法應(yīng)用于米波雷達(dá)低仰角測高中，提出一種廣義約束MUSIC算法，將多徑方向的導(dǎo)向矢量構(gòu)成約束矩陣，生成投影算子，通過對協(xié)方差矩陣的投影來消除多徑信號對協(xié)方差矩陣的影響，從而提高直達(dá)波的DOA估

5、計(jì)精度。該算法的優(yōu)點(diǎn)在于能直接處理相干信號，并且不用考慮地面反射系數(shù)的影響。再結(jié)合雷達(dá)測高的特點(diǎn)，對該算法進(jìn)行改進(jìn)，將二維搜索降為一維搜索，在保持良好性能的同時(shí)降低運(yùn)算量。該方法在快拍數(shù)大于陣元數(shù)時(shí)就能超過空間平滑MUSIC的測角精度。
　　3.研究基于精確多徑信號模型的合成導(dǎo)向矢量測高方法。精確多徑信號模型考慮入射信號極化信息、鏡面反射、散射、漫反射、地形及掠射角等因素對多徑信號的影響，利用天線高度、目標(biāo)和雷達(dá)之間的距離、地球曲

6、率、大氣折射等先驗(yàn)信息，給出球面模型復(fù)雜地形下反射系數(shù)以及直達(dá)波、反射波波程的計(jì)算方法，提出基于地形匹配的合成導(dǎo)向矢量超分辨算法，將搜索導(dǎo)向矢量表示為直達(dá)波和反射波導(dǎo)向矢量之和的形式，然后使用超分辨算法進(jìn)行DOA估計(jì)，提高角度估計(jì)精度。另外，當(dāng)?shù)孛娲植诙仍黾拥讲荒軡M足瑞利準(zhǔn)則時(shí)，雷達(dá)天線接收的信號應(yīng)該看成是鏡面反射分量與漫反射分量之和，表面越粗糙，雷達(dá)仰角越低，漫散射功率越占主導(dǎo)地位，建立存在地面漫反射時(shí)的信號模型，將多徑信號認(rèn)為是相干

7、分布源，提出利用多維交替投影和合成導(dǎo)向矢量超分辨算法進(jìn)行低仰角測高。但是實(shí)際中，地面反射區(qū)的多徑分布源模型很難確定，需要通過大量的實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證。
　　4.將稀疏分析應(yīng)用于米波數(shù)字陣列雷達(dá)低仰角測高中，利用實(shí)際空間中被測目標(biāo)在空域內(nèi)分布的稀疏性，利用壓縮感知思想來進(jìn)行低仰角估計(jì)。提出協(xié)方差矩陣壓縮感知、內(nèi)插陣壓縮感知和波束空間壓縮感知DOA估計(jì)算法，分別在協(xié)方差矩陣、虛擬內(nèi)插陣和波束空間上進(jìn)行壓縮采樣，構(gòu)建出新的DOA估計(jì)壓縮感知

8、模型，最后通過稀疏重建算法來進(jìn)行信號重構(gòu)，得到目標(biāo)的高分辨DOA估計(jì)。該方法突破陣列分辨率的瑞利限，降低信號功率譜和空間譜的旁瓣，在低信噪比和快拍數(shù)較少的環(huán)境下也能達(dá)到較好的效果，而且對空域信號的相關(guān)性不敏感，可以直接用于相干信號的DOA估計(jì)，具有較高的角度分辨力。
　　5.研究干涉式APES算法在分布式相參陣列DOA估計(jì)中的應(yīng)用。利用干涉式APES算法得到的空間譜和模型階數(shù)選擇準(zhǔn)則獲得目標(biāo)個(gè)數(shù)和目標(biāo)方向余弦的粗估計(jì)，同時(shí)利用子陣

9、間的相位中心偏移來獲得目標(biāo)方向余弦的精估計(jì)，再使用雙尺度解模糊算法得到高精度且無模糊的目標(biāo)DOA估計(jì)。該算法不依賴于信源數(shù)、信源相關(guān)性等參數(shù)，是一種盲DOA估計(jì)方法，而且在樣本少時(shí)性能較好。該算法以增大運(yùn)算量為代價(jià)來得到更高的角度分辨率和測角精度，能有效地應(yīng)用于米波雷達(dá)低仰角多徑環(huán)境下的測高問題。同時(shí)對分布式陣列中的基線模糊門限與信噪比門限進(jìn)行討論，并對算法的運(yùn)算量和克拉美羅界進(jìn)行分析。
　　論文針對這些方法，在仿真分析的基礎(chǔ)上，