米波雷達(dá)低仰角估計(jì)方法研究.pdf

1、米波雷達(dá)在反隱身、抗輻射導(dǎo)彈等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，使其近年來受到世界各國的普遍重視。但由于米波波長(zhǎng)較長(zhǎng)，受雷達(dá)天線尺寸的限制，米波雷達(dá)天線主瓣波束較寬，角分辨率差。在探測(cè)低仰角目標(biāo)時(shí)，米波雷達(dá)接收信號(hào)中除了直接從目標(biāo)反射回來的信號(hào)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(hào)。多徑效應(yīng)會(huì)影響米波雷達(dá)對(duì)低空目標(biāo)的仰角測(cè)量精度，進(jìn)而造成對(duì)目標(biāo)的定位與跟蹤性能下降，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)G失目標(biāo)。目前，雖然很多學(xué)者對(duì)雷達(dá)低仰角估計(jì)技術(shù)進(jìn)行了深入

2、細(xì)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(dá)在低仰角區(qū)的測(cè)角精度至今仍然是雷達(dá)界的一個(gè)難題。
　　 本文在前人工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合承擔(dān)的科研項(xiàng)目，對(duì)基于常規(guī)陣列的米波雷達(dá)、米波多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)雷達(dá)以及基于電磁矢量陣列的米波雷達(dá)在低仰角估計(jì)中遇到的相關(guān)問題，主要從多徑信號(hào)解相關(guān)、降低運(yùn)算量、改善角度估計(jì)精度等方面進(jìn)

3、行了探討和研究，具體工作概括如下：
　　 1.分析了米波雷達(dá)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(biāo)的回波信號(hào)模型，回波信號(hào)主要包括直達(dá)波信號(hào)、鏡面反射波信號(hào)和漫反射波信號(hào)；同時(shí)，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(dá)低仰角估計(jì)方法。基于廣義多重信號(hào)分類(Multiple Signal Classificat

4、ion，MUSIC)算法，提出了一種目標(biāo)仰角和多徑衰減系數(shù)聯(lián)合估計(jì)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(jì)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(dāng)該子空間與噪聲子空間正交時(shí)，對(duì)應(yīng)的角度即為目標(biāo)仰角，對(duì)應(yīng)的系數(shù)即為真實(shí)的多徑衰減系數(shù)。該方法可以在未知目標(biāo)角度的情況下，經(jīng)過一次角度搜索，即可同時(shí)估計(jì)波達(dá)方向和多徑衰減系數(shù)。利用多徑衰減系數(shù)可以進(jìn)一步計(jì)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(shí)空級(jí)聯(lián)的米波雷達(dá)低仰角估計(jì)方法。針對(duì)現(xiàn)有時(shí)空級(jí)聯(lián)最大似然算法運(yùn)算量較大的問題，提出了一種基于矩陣束的雷達(dá)低仰角估計(jì)的時(shí)空級(jí)聯(lián)算法。該算法先根據(jù)已獲得的目標(biāo)距離和速度信息對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行積累，這樣每個(gè)接收陣元只獲得一個(gè)樣本數(shù)，然后利用單樣本數(shù)的陣列信號(hào)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(biāo)的仰角。該算法可以有效地克服多徑效應(yīng)，不需要估計(jì)協(xié)方差矩陣，避

6、免了角度搜索，運(yùn)算量小。
　　 4.研究了存在互耦誤差下的米波雷達(dá)低仰角估計(jì)的校正方法。針對(duì)實(shí)際陣列中互耦誤差的存在嚴(yán)重惡化超分辨算法估計(jì)性能的問題，建立了存在互耦情況下的米波雷達(dá)低仰角目標(biāo)的回波信號(hào)模型，并提出了一種互耦條件下米波雷達(dá)波達(dá)方向估計(jì)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(diǎn)，對(duì)接收數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣的信號(hào)參數(shù)形式進(jìn)行變換，并基于子空間原理獲得目標(biāo)波達(dá)方向估計(jì)的角度搜索函數(shù)。另外，利用該算法還

7、可以同時(shí)計(jì)算出與目標(biāo)相對(duì)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(hào)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(zhǔn)源，也不需要高維搜索和迭代運(yùn)算。
　　 5.研究了米波MIMO雷達(dá)對(duì)低仰角目標(biāo)的角度估計(jì)方法。針對(duì)MIMO雷達(dá)在低仰角估計(jì)中運(yùn)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(jìn)而在波束域中對(duì)存在多

8、徑下的目標(biāo)進(jìn)行角度估計(jì)。首先結(jié)合米波MIMO雷達(dá)低仰角目標(biāo)的回波特點(diǎn)，建立了同時(shí)考慮發(fā)射多徑和接收多徑的信號(hào)模型。其次，提出了基于波束空間的米波MIMO雷達(dá)角度估計(jì)的最大似然算法。然后，推導(dǎo)了存在多徑下MIMO雷達(dá)低仰角估計(jì)的克拉美·羅界。最后，為了進(jìn)一步降低運(yùn)算量，提出了基于波束空間的米波MIMO雷達(dá)角度估計(jì)的廣義MUSIC算法?；诓ㄊ臻g預(yù)處理的算法在保持米波MIMO雷達(dá)陣元空間處理的角度估計(jì)精度的基礎(chǔ)上，大大減少了運(yùn)算量。

9、>　　 6.研究了基于電磁矢量陣列的米波雷達(dá)低仰角估計(jì)方法。首先，建立了電磁矢量陣列的接收信號(hào)模型。然后，提出了一種利用電磁矢量陣列估計(jì)相干信號(hào)波達(dá)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(gè)二階統(tǒng)計(jì)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(biāo)的仰角，同時(shí)還可以估計(jì)信號(hào)的坡印廷矢量，從而計(jì)算得到目標(biāo)的方位角、極化參數(shù)和解仰角估計(jì)模糊。該方法在采用一維線性陣列的情況下，能夠估計(jì)二維角度，陣元間距可以大于半波長(zhǎng)，且不需要角度