基于SIAR体制的稀布阵米波雷达若干问题研究

论文摘要

基于综合脉冲孔径（SIAR）体制的稀布阵米波雷达发射采用多频正交信号发射,由于不形成发射方向图,其在全空域可以实现等功率能量覆盖,相应的接收自由度可以大大提高;同时由于发射接收天线阵元稀布,通过优化设计阵元位置得到较窄的发射、接收波束以及较低的旁瓣电平,有利于减少多径回波的接收。作为一种米波分布阵体制雷达,该雷达具有良好的反隐身和对抗反辐射导弹的能力,且作用距离远,衰减比微波波段要小,但米波雷达波束宽,角分辨力较差,天线副瓣高,抗干扰能力差等缺点比较明显,特别是俯仰上波束打地,仰角测量精度受到地面（或海面）多径反射的影响较为严重,从而影响了米波雷达对目标高度的准确测量。为针对上述诸多问题,本文从以下几方面展开工作,具体工作概括如下:1.研究稀布阵米波雷达在阵元数有限、阵列孔径有限、水平维和垂直维分别存在最小阵元间距等约束条件下的天线方向图综合问题。该雷达采用稀布天线,为了降低旁瓣电平,天线综合过程中同时考虑发射方向图和接收方向图的影响,将阵元间距的稀疏约束从规则栅格扩展为仅有两维坐标的约束,提出采用二次编码的改进遗传算法,有效地解决了该雷达天线方向图综合中低旁瓣电平设计问题。结合某工程项目给出了某米波雷达天线阵优化结果。2.针对同时辐射多载频的正交信号、收发天线稀布且不共用的基于SIAR体制稀布阵米波雷达,以及在低仰角目标回波存在多径现象等问题,提出一种适用于SIAR体制稀布阵米波雷达的方向综合方法,该方法同时在方位和俯仰两维进行数字波束形成（DBF）;并结合多载频工作体制,研究了基于多径相干信号分离的稀疏面阵广义MUSIC算法。该方法将发射天线、接收天线的相位延迟同时补偿,在接收端对发射波束进行两维方向综合,提高了雷达的角分辨力和测角精度;并通过降维处理减少了运算量。3.从模糊函数的角度出发,深入分析了稀疏面阵方位、俯仰二维角度分辨率,详细推导了多径情况下,单目标、多目标的方位、俯仰角度的克拉美·罗界（CRB）,为超分辨算法奠定了理论基础。4.针对SIAR体制下稀布阵米波雷达信号处理流程中测距误差对角度测量的影响,考虑到采样过程中距离维存在量化误差,将超分辨思想引入到距离测量中,提出了距离维超分辨处理方法;且由于发射采用多载频信号,回波信号通道分离后若能进行带宽合成,则相应距离分辨率会比单根天线提高数倍,有利于后续检测与跟踪。针对该体制雷达设计中调频带宽和载频差的不同选取,研究分别采用时频域频谱拼接及频谱外推与Root-MUSIC算法相结合的方法,继而得到目标高分辨距离像。5.由于低仰角目标回波中存在多径信号,使得米波雷达难以对低仰角目标进行高度测量,为此提出一种适用于多径信号情况下的波达方向估计的迭代方法。该方法将回波信号的相关矩阵,在各个信号子空间中交替投影,可以同时对直达波和反射波进行较精确的波达方向估计,进而有效解决了米波雷达低仰角目标高度测量问题;结合平坦阵地反射模型,提出一种适用于多径情况下的波达方向估计方法。该方法通过差分处理,补偿了多径信号回波相位,使得接收回波中仅包含直达波信号,对差分后数据进行常规数字波束形成即可得到目标俯仰角。上述方法通过某米波试验雷达的实测数据进行了可行性与有效性验证。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 SIAR雷达简介

1.3 国内外MIMO雷达研究进展

1.4 本文的主要工作

第二章基于SIAR体制的稀布阵米波雷达优化布阵研究

2.1 引言

2.2 基于SIAR体制的稀布阵米波雷达方向图适应度函数

2.3 阵元间距扰动下的天线位置设计

2.4 基于二次编码的稀布阵米波雷达天线优化布阵

2.4.1 遗传算法简介

2.4.2 基于二次编码的稀布阵米波雷达天线方向图设计

2.4.3 优化布阵仿真

2.5 本章小结

第三章基于SIAR体制的稀布阵米波雷达波达方向估计

3.1 引言

3.2 基于SIAR体制稀布阵米波雷达信号模型

3.3 基于SIAR体制的稀布阵米波雷达数字波束形成技术

3.4 基于SIAR体制的稀布阵米波雷达超分辨算法研究

3.5 仿真分析

3.6 本章小结

第四章基于SIAR体制的稀布阵米波雷达分辨率及克拉美·罗界分析

4.1 引言

4.2 基于SIAR体制稀布阵米波雷达四维模糊函数及分辨率分析

4.3 基于SIAR体制稀布阵米波雷达二维角度克拉美·罗界分析

4.3.1 基于SIAR体制稀布阵米波雷达单目标二维角度CRB分析

4.3.2 基于SIAR体制稀布阵米波雷达多目标二维角度CRB分析

4.3.3 仿真分析

4.4 本章小结

第五章基于SIAR体制稀布阵米波雷达距离高分辨研究

5.1 引言

5.2 基于SIAR体制稀布阵米波雷达距离超分辨技术

5.3 基于SIAR体制稀布阵米波雷达频率编码捷变技术

5.4 基于SIAR体制稀布阵米波雷达频域合成距离像法

5.4.1 基于SIAR体制稀布阵米波雷达频域合成距离像法

5.4.2 仿真分析

5.5 基于SIAR体制稀布阵米波雷达频谱外推高分辨距离像技术

5.6 本章小结

第六章多径情况下米波雷达高度测量方法研究

6.1 引言

6.2 阵列信号模型及典型波达方向估计算法

6.2.1 阵列天线DOA估计的数学模型

6.2.2 波达方向估计算法简介

6.2.3 相干信源下DOA估计方法

6.3 基于回波信号相关矩阵交替投影的超分辨算法

6.3.1 信号模型

6.3.2 时空级联最大似然交替投影方法

6.3.3 基于相关矩阵交替投影的广义MUSIC波达方向估计方法

6.3.4 仿真分析和实测数据处理

6.4 基于差分预处理的低仰角目标角度超分辨算法

6.4.1 基于差分预处理的低仰角目标超分辨算法

6.4.2 仿真分析和实测数据处理

6.5 本章小结

第七章总结与展望

7.1 本文内容总结

7.2 工作展望

致谢

参考文献

作者在攻读博士期间（合作）撰写的学术论文

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