分布式多載艦地波超視距雷達(dá)陣列與信號(hào)重構(gòu)技術(shù)研究.pdf

1、分布式多載艦地波超視距雷達(dá)，簡(jiǎn)記為DMS-SWOTHR(Distributed Multi-Ship based Surface Wave Over-The-Horizen Radar)，是一個(gè)在岸基和單載艦地波超視距雷達(dá)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的、以海上艦隊(duì)為裝載平臺(tái)的全新體制的地波超視距對(duì)海探測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)。相對(duì)于前兩種雷達(dá)，它功能更強(qiáng)大、性能更先進(jìn)，結(jié)構(gòu)也更趨復(fù)雜。這種雷達(dá)除具有艦載OTHR(Over-The-Horizen Radar)機(jī)動(dòng)性

2、強(qiáng)的特點(diǎn)之外，最突出的優(yōu)點(diǎn)是整體雷達(dá)系統(tǒng)資源可根據(jù)探測(cè)需求、信號(hào)環(huán)境和目標(biāo)類型進(jìn)行靈活配置和重構(gòu)，因此能夠?qū)崿F(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)資源對(duì)作戰(zhàn)使命的最佳匹配和對(duì)探測(cè)任務(wù)的使用效率最大化。同時(shí)，這種體制的雷達(dá)又是一個(gè)高度復(fù)雜而又精密的多普勒分析與分辨系統(tǒng)，它是靠在多普勒域里鑒別雷達(dá)目標(biāo)和背景雜波在運(yùn)動(dòng)特性上的微小差別來(lái)區(qū)分和檢測(cè)目標(biāo)的。因此，它既是一個(gè)功能強(qiáng)大的對(duì)海探測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)也是一個(gè)極富挑戰(zhàn)性的研究課題。目前在國(guó)際上，對(duì)這種新體制超視距雷達(dá)的研究還

3、是一個(gè)空白。
　　本文就是以這種新體制超視距對(duì)海雷達(dá)為研究背景，從建立分布式移動(dòng)多基系統(tǒng)的雷達(dá)系統(tǒng)模型和推導(dǎo)分布式移動(dòng)多基系統(tǒng)的目標(biāo)特性和雜波特性等基礎(chǔ)研究開始，對(duì)分布式移動(dòng)多基系統(tǒng)中的目標(biāo)與雜波特性、分布式移動(dòng)多基系統(tǒng)的陣列重構(gòu)與信號(hào)重構(gòu)技術(shù)以及基于重構(gòu)虛擬大孔徑陣列的信號(hào)相參處理等重要技術(shù)進(jìn)行了比較深入的研究。在詳細(xì)推導(dǎo)了分布式移動(dòng)多基系統(tǒng)的復(fù)雜動(dòng)態(tài)幾何關(guān)系、回波信號(hào)模型以及一階Bragg海浪展寬譜表達(dá)式基礎(chǔ)上，重點(diǎn)開展了一階

4、海雜波展寬譜中的艦船目標(biāo)提取、基于分布式系統(tǒng)的虛擬大孔徑陣列重構(gòu)以及在重構(gòu)大陣列上應(yīng)用空間超分辨技術(shù)來(lái)改善系統(tǒng)角分辨能力等技術(shù)的研究。
　　首先，針對(duì)一發(fā)多收DMS-SWOTHR的幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了岸基窄波束條件下雙基地SWOTHR的海雜波基本理論，闡述了一、二階海雜波的產(chǎn)生機(jī)理及數(shù)學(xué)模型。海面對(duì)高頻段電磁波能產(chǎn)生Bragg諧振散射，海浪回波中的一階分量是由滿足Bragg諧振散射條件的重力波導(dǎo)致的，諧振散射條件不僅與雷達(dá)工作頻率

5、有關(guān)而且是雙基地角的函數(shù)；二階海雜波的回波能量比一階海雜波小很多，但其產(chǎn)生機(jī)理卻復(fù)雜得多；有向波高譜對(duì)一、二階海雜波譜的大小起著重要作用。
　　繼而，推導(dǎo)了DMS-SWOTHR中任意收、發(fā)站平臺(tái)與運(yùn)動(dòng)點(diǎn)目標(biāo)三者之間的動(dòng)態(tài)幾何模型；并以此為基礎(chǔ)分析了一階海雜波譜的展寬機(jī)理，給出了DMS-SWOTHR中一階Bragg海浪回波譜展寬的數(shù)學(xué)模型。雷達(dá)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，雷達(dá)距離分辨單元內(nèi)不同方向的一階海雜波譜受到不同程度的調(diào)制，導(dǎo)致一階Bragg

6、峰被展寬；而收、發(fā)站平臺(tái)之間不可避免的相對(duì)運(yùn)動(dòng)又引入了時(shí)變的多普勒頻移，這使得在多普勒域里一階海雜波展寬譜的結(jié)構(gòu)變得異常復(fù)雜，進(jìn)而導(dǎo)致在DMS-SWOTHR系統(tǒng)中檢測(cè)艦船目標(biāo)變得非常困難。影響展寬譜中艦船目標(biāo)檢測(cè)的主要干擾是由于雷達(dá)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)而擴(kuò)散到目標(biāo)所在多普勒單元的一階海雜波，通過(guò)對(duì)雷達(dá)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)合成孔徑效應(yīng)的分析可知：由于雷達(dá)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)而映射到任一雷達(dá)分辨單元里的一階海浪的空間方位是已知的；且從概率意義上講，落入目標(biāo)所在分辨單元的一階海

7、雜波的空間方位與目標(biāo)方位在絕大多數(shù)情況下是不同的。這種特定的動(dòng)態(tài)空間幾何關(guān)系，為在展寬的一階海浪譜中檢測(cè)艦船目標(biāo)提供了技術(shù)上的可能性，這也構(gòu)成了本文的基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)。而對(duì)于艦船目標(biāo)與一階展寬海浪處于同一方位的特殊情況，可通過(guò)改變雷達(dá)系統(tǒng)工作頻率和雷達(dá)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（或雷達(dá)平臺(tái)的相對(duì)位置或運(yùn)動(dòng)速度或運(yùn)動(dòng)方向）來(lái)解決。
　　接著，推導(dǎo)了DMS-SWOTHR系統(tǒng)中雷達(dá)回波信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。從其相位表達(dá)式來(lái)看，無(wú)論是徑向勻加速船目標(biāo)、向心加

8、速度較大的船目標(biāo)，還是具有時(shí)變多普勒頻移的一階海雜波，其相位關(guān)系都是相同的；但其物理意義卻不盡相同。若不考慮統(tǒng)計(jì)特性的影響，同一距離單元中不同方向的一階海雜波相對(duì)幅度可由雙基地雷達(dá)方程求得。雖然二階海雜波也同樣會(huì)受到平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的調(diào)制，但由于它本身就是方位向上的全譜，在DMS-SWOTHR系統(tǒng)中與在岸基OTHR中的譜線結(jié)構(gòu)變化不大，仍為一連續(xù)譜。因此，依據(jù)對(duì)高頻段海浪回波統(tǒng)計(jì)特性分析結(jié)果，每個(gè)距離－多普勒單元中的二階海雜波譜和大氣噪聲，在統(tǒng)

9、計(jì)意義上可統(tǒng)一看作是加性高斯噪聲。綜合以上信號(hào)模型分別給出了海雜波展寬譜中有無(wú)船目標(biāo)情況下的仿真結(jié)果，這些數(shù)據(jù)將用于目標(biāo)提取。
　　然后，針對(duì)回波信號(hào)多普勒譜中時(shí)變與非時(shí)變信號(hào)分量并存的情況，本文提出了基于施密特正交化理論的空域零點(diǎn)自適應(yīng)方法來(lái)對(duì)消一階海雜波，從而實(shí)現(xiàn)了在展寬的一階海雜波譜中的船目標(biāo)檢測(cè)。這樣不但能首先檢測(cè)出非時(shí)變目標(biāo)信號(hào)分量，而且可以大大減少多分量干擾源在后續(xù)處理中產(chǎn)生的交叉項(xiàng)。基于乘積型高階模糊函數(shù)(PHAF)

10、的迭代算法被用來(lái)提取時(shí)變目標(biāo)信號(hào)對(duì)應(yīng)的徑向運(yùn)動(dòng)參數(shù)。在應(yīng)用迭代算法過(guò)程中，當(dāng)估計(jì)出一個(gè)目標(biāo)的所有相位參數(shù)后即將該目標(biāo)從待分析信號(hào)中剔除，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是能有效降低由交叉項(xiàng)引起的確定性噪聲水平。仿真結(jié)果表明基于PHAF的相位參數(shù)估計(jì)方法存在信噪比門限，但高信噪比時(shí)的均方誤差(MSE)曲線非常接近克拉美－羅下限(CRLB)；另外，在檢測(cè)方案的循環(huán)處理過(guò)程中，參數(shù)估計(jì)精度因誤差傳播而有所下降。
　　最后，基于DMS-SWOTHR的特定系統(tǒng)

11、結(jié)構(gòu)，提出了面向雷達(dá)系統(tǒng)分辨單元的陣列重構(gòu)方法。針對(duì)入射到不同載艦上均勻線陣(ULA)的同一信號(hào)源所在的距離單元和多普勒單元，分別給出了實(shí)現(xiàn)大陣列相參信號(hào)處理所要滿足的充分條件。在條件滿足情況下，每個(gè)接收陣可視為某一分布式陣列的均勻線性子陣(ULSA)。為實(shí)現(xiàn)基于子陣列的跨平臺(tái)相參信號(hào)處理，本文引入了虛擬插值陣列(VIA)變換方法。針對(duì)DMS-SWOTHR系統(tǒng)中各子陣間的高稀疏性使現(xiàn)有VIA變換技術(shù)在整個(gè)觀測(cè)域上產(chǎn)生較大插值誤差的情況，

12、提出了一種基于預(yù)估計(jì)的VIA變換方法。其基本思想是：假設(shè)至少一個(gè)ULSA的接收數(shù)據(jù)可用來(lái)定位距離－多普勒單元內(nèi)的強(qiáng)相關(guān)源，并指定若干較窄且不相重合的角度區(qū)間的并集作為插值區(qū)，插值區(qū)僅覆蓋方位預(yù)估值而不考慮整個(gè)非插值區(qū)。該方法不僅保證了插值區(qū)的變換精度，而且避免了同一分辨單元內(nèi)的強(qiáng)干擾源入射到非插值區(qū)的情形。此外，該方法舍棄了噪聲預(yù)白化處理，代之以適當(dāng)增加用于前后向空間平滑(FBSS)處理的虛擬ULA的子陣個(gè)數(shù)。這樣不但可以達(dá)到解相關(guān)的目