高频雷达中基于多频信号的波束形成方法研究

论文摘要

高频雷达工作频率为3-30MHz,通过利用电离层对电磁波的反射效应或长电磁波在地球表面的绕射效应,实现超视距探测。与微波雷达相比其角度、距离分辨率较低。为了提高系统分辨力,可以采用宽带信号发射。然而,高频波段频率非常拥挤,该波段较难获得连续的寂静频带。本文采用多频率发射信号,通过多载频空域处理较好的改善高频雷达角度分辨力,并将自适应算法应用于多载频波束形成,同时解决主瓣干扰问题。本课题对高频雷达中的多频信号波束形成方法进行研究。首先,简述了阵列信号处理的基本知识,并介绍了常规波束形成方法。然后,对多频信号的基本原理进行了分析,建立了多频信号模型,研究了阵列虚拟孔径扩展的原理,并通过MATLAB仿真探讨了多频信号频率的选取范围及其对系统分辨率的提高能力。在常规波束形成的基础上,重点分析了几种常用的自适应波束形成算法。理论上,最小方差无畸变响应波束形成（MVDR）较常规波束形成可以提高输出信噪比,但实际MVDR往往较理想MVDR的性能下降很多;对角加载法波束形成（DLM）、范数约束Capon波束形成（NCCB）对MVDR进行了改进,但是其加载量或约束值难以确定;稳健Capon波束形成（RCB）和双约束稳健Capon波束形成（DCRCB）也属于对角加载类方法,但它们根据导向矢量的不确定范围选取加载量,稳健性较好,当导向矢量误差不确定集很大时,输出SINR降低。提出一种改进的对角加载自适应波束形成方法,可以较好解决该问题。自适应波束形成方法可以有效抑制干扰,但当主波束内存在干扰时,抑制了主瓣干扰的同时,主波束也导致变形。针对这个问题,可以采用阻塞矩阵预处理方法,该法在单频情况下的自适应波束形成方法中效果显著。本文将该法应用于多频信号自适应波束形成方法中,最后通过仿真验证,说明了该方法抑制多频信号主瓣干扰的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 国内外相关领域的研究现状及分析
• 1.2.1 多频信号
• 1.2.2 自适应波束形成
• 1.2.3 主瓣干扰的抑制
• 1.3 本课题主要研究内容
• 1.4 本文的结构安排
• 第2章 阵列信号处理的基本知识
• 2.1 前言
• 2.2 阵列信号模型
• 2.2.1 阵列信号的数学模型
• 2.2.2 阵列方向图
• 2.3 常规波束形成
• 2.4 本章小结
• 第3章 多频信号模型
• 3.1 前言
• 3.2 多频信号模型
• 3.3 虚拟孔径扩展
• 3.4 多频信号的特点
• 3.5 仿真实验分析
• 3.5.1 不同频率下方向图的分辨率比较
• 3.5.2 实测数据多频波束形成的处理
• 3.6 本章小结
• 第4章 自适应波束形成
• 4.1 前言
• 4.2 自适应波束形成
• 4.2.1 自适应波束形成准则
• 4.2.2 自适应波束形成算法
• 4.3 多频雷达中的自适应波束形成方法
• 4.3.1 最小方差无畸变响应波束形成（MVDR）
• 4.3.2 对角加载法波束形成（DLM）
• 4.3.3 范数约束Capon 波束形成（NCCB）
• 4.3.4 稳健Capon 波束形成（RCB）
• 4.3.5 双约束稳健Capon 波束形成（DCRCB）
• 4.4 改进的对角加载法
• 4.5 仿真分析
• 4.5.1 各方法的仿真比较
• 4.5.2 改进的DLM 对实测数据的处理
• 4.6 本章小结
• 第5章 阻塞矩阵预处理方法的应用
• 5.1 引言
• 5.2 阻塞矩阵预处理方法抑制主瓣干扰
• 5.2.1 阻塞矩阵的计算
• 5.2.2 预处理后的波束形成处理
• 5.2.3 阻塞矩阵在非均匀线阵中的计算
• 5.3 接收多频信号时主瓣干扰的抑制
• 5.4 仿真分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢