米波數(shù)字陣列雷達低仰角測高方法研究.pdf

1、米波雷達波長較長，在反隱身、抗反輻射導彈等方面具有獨特的優(yōu)勢，且作用距離遠，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。在探測遠距離目標時，由于波束較寬，俯仰維波束會“打地”，雷達接收信號中除了直接從目標反射回來的信號外，還有從多徑效應產生的鏡面反射和漫反射等多徑信號。多徑效應對低空目標的仰角測量影響較大，從而影響了對目標高度的準確測量。因此提高米波

2、雷達在低仰角區(qū)的測角和測高精度是亟待解決的關鍵難題。
　　本人在前人工作的基礎上，結合目前承擔的科研任務，從若干方面圍繞米波數(shù)字陣列雷達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)字陣列雷達信號處理系統(tǒng)的基礎上，采用DSP和FPGA相結合的方法，設計一種高性能軟件化數(shù)字信號處理機，整個信號處理機基于CPCI總線，采用高速串行通道提高板間數(shù)據傳輸速率，采用交叉開關技術實現(xiàn)信號處理板間的動態(tài)互聯(lián)，提高雷達信

3、號處理機的性能。該系統(tǒng)結構簡單，具有很好的通用性和可擴展性，具有較高的實用價值。另外，研究兩維數(shù)字陣列雷達的數(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，提出一種改進的基于窗函數(shù)的二維數(shù)字陣列雷達單脈沖測角方法。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，在根據誤差信號計算目標角度時采用多階多項式擬合的方法，不僅減少單脈沖誤差曲線的數(shù)目，而且簡化數(shù)據處理中大量的數(shù)據存儲

4、和查表的運算，便于工程實現(xiàn)，更重要的是消除建立誤差曲線表時的量化誤差和減小線性近似時的測量誤差。
　　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精度，而且不受信源相干的影響。把該算法應用于米波雷達低仰角測高中，提出一種廣義約束MUSIC算法，將多徑方向的導向矢量構成約束矩陣，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，從而提高直達波的DOA估

5、計精度。該算法的優(yōu)點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。再結合雷達測高的特點，對該算法進行改進，將二維搜索降為一維搜索，在保持良好性能的同時降低運算量。該方法在快拍數(shù)大于陣元數(shù)時就能超過空間平滑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、目標和雷達之間的距離、地球曲

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

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

8、模型，最后通過稀疏重建算法來進行信號重構，得到目標的高分辨DOA估計。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)境下也能達到較好的效果，而且對空域信號的相關性不敏感，可以直接用于相干信號的DOA估計，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估計中的應用。利用干涉式APES算法得到的空間譜和模型階數(shù)選擇準則獲得目標個數(shù)和目標方向余弦的粗估計，同時利用子陣

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