米波雷達低仰角估計方法研究.pdf

1、米波雷達在反隱身、抗輻射導(dǎo)彈等方面具有獨特的優(yōu)勢，使其近年來受到世界各國的普遍重視。但由于米波波長較長，受雷達天線尺寸的限制，米波雷達天線主瓣波束較寬，角分辨率差。在探測低仰角目標時，米波雷達接收信號中除了直接從目標反射回來的信號外，還有從地(海)表面產(chǎn)生的鏡面反射和漫反射等多徑信號。多徑效應(yīng)會影響米波雷達對低空目標的仰角測量精度，進而造成對目標的定位與跟蹤性能下降，嚴重時甚至?xí)G失目標。目前，雖然很多學(xué)者對雷達低仰角估計技術(shù)進行了深入

2、細致的研究，也取得了一些突破和成果，然而還有許多技術(shù)問題沒有得到完全解決。如何有效提高米波雷達在低仰角區(qū)的測角精度至今仍然是雷達界的一個難題。
　　 本文在前人工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合承擔(dān)的科研項目，對基于常規(guī)陣列的米波雷達、米波多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)雷達以及基于電磁矢量陣列的米波雷達在低仰角估計中遇到的相關(guān)問題，主要從多徑信號解相關(guān)、降低運算量、改善角度估計精度等方面進

3、行了探討和研究，具體工作概括如下：
　　 1.分析了米波雷達多徑回波模型。介紹了多徑效應(yīng)產(chǎn)生的原因；建立了低仰角目標的回波信號模型，回波信號主要包括直達波信號、鏡面反射波信號和漫反射波信號；同時，還分析了影響鏡面反射系數(shù)和漫反射系數(shù)的主要因素，包括頻率、極化、表面類型、表面粗糙度、地球曲率等。
　　 2.研究了基于子空間的米波雷達低仰角估計方法?；趶V義多重信號分類(Multiple Signal Classificat

4、ion，MUSIC)算法，提出了一種目標仰角和多徑衰減系數(shù)聯(lián)合估計的算法。該算法在角度搜索過程中，首先通過陣列接收數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣與搜索角度計算出虛擬的多徑衰減系數(shù)，然后將其與搜索角度一起構(gòu)造子空間，當該子空間與噪聲子空間正交時，對應(yīng)的角度即為目標仰角，對應(yīng)的系數(shù)即為真實的多徑衰減系數(shù)。該方法可以在未知目標角度的情況下，經(jīng)過一次角度搜索，即可同時估計波達方向和多徑衰減系數(shù)。利用多徑衰減系數(shù)可以進一步計算得到鏡面反射系數(shù)。該算法不損失陣列

5、孔徑，且不要求陣列具有特殊結(jié)構(gòu)。
　　 3.研究了時空級聯(lián)的米波雷達低仰角估計方法。針對現(xiàn)有時空級聯(lián)最大似然算法運算量較大的問題，提出了一種基于矩陣束的雷達低仰角估計的時空級聯(lián)算法。該算法先根據(jù)已獲得的目標距離和速度信息對接收到的信號進行積累，這樣每個接收陣元只獲得一個樣本數(shù)，然后利用單樣本數(shù)的陣列信號矢量構(gòu)造矩陣束，最后利用廣義特征值分解的總體最小二乘法直接求解目標的仰角。該算法可以有效地克服多徑效應(yīng)，不需要估計協(xié)方差矩陣，避

6、免了角度搜索，運算量小。
　　 4.研究了存在互耦誤差下的米波雷達低仰角估計的校正方法。針對實際陣列中互耦誤差的存在嚴重惡化超分辨算法估計性能的問題，建立了存在互耦情況下的米波雷達低仰角目標的回波信號模型，并提出了一種互耦條件下米波雷達波達方向估計的自校正算法。該算法利用均勻線陣互耦矩陣為Toeplitz矩陣的特點，對接收數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣的信號參數(shù)形式進行變換，并基于子空間原理獲得目標波達方向估計的角度搜索函數(shù)。另外，利用該算法還

7、可以同時計算出與目標相對應(yīng)的鏡面反射系數(shù)和陣列的互耦矩陣。與同類校正算法相比，在存在多徑相干信號和未知互耦矩陣的情況下，該算法不損失陣列孔徑，不需要輔助陣元和校準源，也不需要高維搜索和迭代運算。
　　 5.研究了米波MIMO雷達對低仰角目標的角度估計方法。針對MIMO雷達在低仰角估計中運算量大的問題，提出了基于波束空間預(yù)處理的最大似然算法和廣義MUSIC算法。該類算法先后在接收端形成接收波束和“發(fā)射波束”，進而在波束域中對存在多

8、徑下的目標進行角度估計。首先結(jié)合米波MIMO雷達低仰角目標的回波特點，建立了同時考慮發(fā)射多徑和接收多徑的信號模型。其次，提出了基于波束空間的米波MIMO雷達角度估計的最大似然算法。然后，推導(dǎo)了存在多徑下MIMO雷達低仰角估計的克拉美·羅界。最后，為了進一步降低運算量，提出了基于波束空間的米波MIMO雷達角度估計的廣義MUSIC算法。基于波束空間預(yù)處理的算法在保持米波MIMO雷達陣元空間處理的角度估計精度的基礎(chǔ)上，大大減少了運算量。

9、>　　 6.研究了基于電磁矢量陣列的米波雷達低仰角估計方法。首先，建立了電磁矢量陣列的接收信號模型。然后，提出了一種利用電磁矢量陣列估計相干信號波達方向和極化參數(shù)的方法。該方法利用回波數(shù)據(jù)構(gòu)造一個二階統(tǒng)計矩陣，并用其奇異值分解后的結(jié)果構(gòu)造矩陣束，從而得到目標的仰角，同時還可以估計信號的坡印廷矢量，從而計算得到目標的方位角、極化參數(shù)和解仰角估計模糊。該方法在采用一維線性陣列的情況下，能夠估計二維角度，陣元間距可以大于半波長，且不需要角度