新體制天波超視距雷達(dá)信號(hào)處理研究.pdf

1、傳統(tǒng)天波超視距雷達(dá)（OTHR）一般基于相控陣雙基地體制，發(fā)射和接收陣列均采用線陣，雷達(dá)理論已基本成熟，工作性能和信號(hào)處理方法受到傳統(tǒng)體制的制約。本文研究新體制天波超視距雷達(dá)，引入兩個(gè)關(guān)鍵要素：多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)和二維發(fā)射/接收陣列。MIMO技術(shù)可以增加雷達(dá)信號(hào)個(gè)數(shù)，多頻信號(hào)工作可利用電離層傳播特性實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行多徑探測(cè)，提高檢測(cè)和估計(jì)性能。發(fā)射信號(hào)之間相互正交，超視距雷達(dá)可擴(kuò)展為分布式多站體制。雷達(dá)陣列采用二維布陣，具有俯仰角

2、分辨力，因此信號(hào)處理端可進(jìn)行二維波束形成，分辨和運(yùn)用多徑信號(hào)及其內(nèi)在關(guān)系。此外，新體制超視距雷達(dá)可采用環(huán)境認(rèn)知的工作方式，設(shè)計(jì)隨環(huán)境變化的發(fā)射信號(hào)或?yàn)V波器，使雷達(dá)能在復(fù)雜干擾情況下穩(wěn)健工作。
　　本文針對(duì)新體制天波超視距雷達(dá)的信號(hào)處理進(jìn)行了研究，主要工作和貢獻(xiàn)如下：
　　(1)二維陣列超視距雷達(dá)實(shí)時(shí)頻點(diǎn)選擇方法
　　二維陣列可進(jìn)行俯仰維波束形成，借助射線追蹤技術(shù)，對(duì) OTHR選頻工作有重要意義。傳統(tǒng) OTHR在獲取返回

3、散射電離圖后，無法分辨多徑或多模信號(hào)，因而不能針對(duì)任務(wù)區(qū)域地面距離選取最優(yōu)頻點(diǎn)。OTHR在具備二維陣列后，可對(duì)電離圖進(jìn)行方位和俯仰角二維波束形成，借助電離層模型和射線追蹤技術(shù)，為雷達(dá)選取針對(duì)任務(wù)區(qū)域地面距離具有最大信噪比的頻點(diǎn)。
　　(2)干擾和噪聲環(huán)境下的波形設(shè)計(jì)
　　超視距雷達(dá)所在高頻環(huán)境復(fù)雜且時(shí)變，傳統(tǒng)方法采用固定波形（如線性調(diào)頻信號(hào)），依靠選取頻點(diǎn)來避開干擾，在密集干擾頻段可能遇到困難。本文提出基于環(huán)境感知的波形設(shè)計(jì)

4、及工作方案，使 OTHR能夠在干擾和噪聲下進(jìn)行工作，無需改變信號(hào)處理架構(gòu)?？紤]到雷達(dá)波形的主旁瓣性能，波形設(shè)計(jì)引入相似度約束條件。本文推導(dǎo)了約束下最優(yōu)化輸出信干噪比的波形解析解。
　　(3)濾波器設(shè)計(jì)抑制干擾和噪聲
　　考慮到波形設(shè)計(jì)和更新對(duì) OTHR發(fā)射硬件要求高，本文還研究了抑制干擾和噪聲的濾波器設(shè)計(jì)，推導(dǎo)了在相似度約束下最優(yōu)化輸出信干噪比的濾波器解析解。比較其他波形和濾波器方案，濾波器設(shè)計(jì)能有效抑制干擾噪聲，輸出主旁瓣

5、穩(wěn)健。并且，OTHR濾波器設(shè)計(jì)無需訓(xùn)練數(shù)據(jù)，可直接采用正常接收數(shù)據(jù)，實(shí)用性強(qiáng)。
　　(4)新體制超視距雷達(dá)測(cè)高理論研究
　　傳統(tǒng)超視距雷達(dá)對(duì)空中目標(biāo)的高度測(cè)量一直是個(gè)難題。新體制 OTHR從二維陣列和多徑的角度考慮該問題。借鑒分布式MIMO普通雷達(dá)（非超視距雷達(dá)）通過多徑對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位和速度矢量估計(jì)，新體制 OTHR多徑回波可由不同工作頻點(diǎn)或電離層分層產(chǎn)生，且二維陣列可分辨路徑俯仰角。本文從理論上推導(dǎo)了OTHR對(duì)目標(biāo)高度估計(jì)

6、可行的充分條件，并給出了估計(jì)方差下限即克拉美-羅界（CRB）。
　　(5) MIMO-OTHR聯(lián)合估計(jì)目標(biāo)狀態(tài)和污染頻移
　　超視距雷達(dá)對(duì)海面目標(biāo)的估計(jì)受到電離層相位污染的影響。本文建立了OTHR在采用MIMO技術(shù)和二維陣列情況下，受到海雜波和相位污染影響的接收信號(hào)模型，其中相位污染建模為未知確定頻移。推導(dǎo)了聯(lián)合估計(jì)目標(biāo)距離和速度及污染頻移的最大似然估計(jì)方法和克拉美-羅界。
　　(6) MIMO-OTHR多站多徑信號(hào)聯(lián)