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海杂波建模及雷达信号模拟系统关键技术研究

作　者: 杨俊岭
导　师: 万建伟
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 信息与通信工程
关键词: 海杂波建模 K分布海尖峰连续型隐马尔可夫未充分发展完全海谱分形模型双尺度法电磁散射雷达模拟系统
分类号: TN955
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

工作于海洋环境下的雷达面临较为严重的海杂波的影响，海杂波统计模型的研究对最优检测算法设计和雷达性能预估有重要作用。杂波特性的研究在雷达系统设计、雷达信号处理和目标检测以及遥感等应用中有重要地位。很长时间以来，人们一直采用统计方法研究海杂波的特性，随着新理论和技术的出现，人们开始尝试用更好的办法研究海杂波。本文对海杂波的分析与建模中的几个关键问题进行了研究，主要包括以下内容：根据K分布杂波的两个正交分量可由两列相互独立的高斯矢量的加权乘积和精确或近似构成的原理，本文提出了一种新的相关相干K分布杂波建模与仿真方法。相比经典的零记忆非线性变换(Zero Memory Non-Linearity；ZMNL)和球不变随机过程(Spherically Invariant Random Process；SIRP)法，该方法可以仿真自相关函数为任意复数的杂波序列，同时由于不需要进行非线性变换，新算法的运算速度得到显著改善。对海杂波的非平稳特性—海尖峰效应进行了较为深入的研究。从时间、频率和能量3个方面对雷达海杂波的尖峰效应重新进行定义，并根据新的定义，给出了海尖峰的空间、时间和频率统计方法，为海尖峰非平稳性的深入理解和分析提供了较为系统的方法和工具。将连续型隐马尔可夫模型(Continuous Hidden Markov Model；CHMM)用于海杂波建模，把海面回波分为平稳海杂波、海尖峰和目标3个状态，使用高斯混合密度模型(Gaussian Mixture Density Model；GMDM)建立各状态观测值的连续概率密度函数表达式，使用Baum-Welch算法对CHMM的参数进行计算和重估，同时修正了基于GMDM的CHMM观测值状态联合概率公式，解决了GMDM参数迭代求解过程中分母下溢出问题。为海杂波建模与分析提供了一种新的方法。给出了一种更为符合海面实际情况的基于未充分发展海谱的分形海面模型(Non-fully Developed Full-range Fractal Model；NDFFM)，使用双尺度法计算了NDFFM海面的后向散射截面，讨论了NDFFM海面各形成参数与散射截面的关系，研究了动态散射场幅值分布，结果表明在大特征斜率下散射场服从K分布，随着特征斜率的下降，散射场分布向瑞利分布退化。最后将计算数据与传统的分形模型和实测雷达数据进行比对，证明了该模型的准确性和有效性。介绍了雷达杂波信号的建模与仿真原理，将杂波建模理论与工程实现相结合，给出了一个基于直接数字频率合成技术(Direct Digital Synthesis；DDS)的雷达目标杂波信号模拟系统的设计实例，该系统采用了软硬件相结合形式，能灵活生成包括地杂波、海杂波、云雨杂波、箔条杂波在内的多种信号波形的雷达杂波回波信号，以及包括常规脉冲、线性调频、非线性调频和相位编码在内的目标回波信号。

全文目录

目录  4-8
缩略词  8-9
图索引  9-12
表索引  12-13
摘要  13-15
ABSTRACT  15-17
第一章绪论  17-27
  1.1 课题背景与意义  17-18
  1.2 海杂波建模与雷达系统模拟国内外发展状况  18-23
    1.2.1 海杂波统计建模  18-19
    1.2.2 海杂波混沌特性分析  19-20
    1.2.3 海杂波非平稳特性研究  20-21
    1.2.4 有目标海面回波特性研究  21
    1.2.5 粗糙海面建模  21-22
    1.2.6 基于海面电磁波导的海杂波特性研究  22-23
    1.2.7 雷达信号模拟技术  23
  1.3 本文主要创新点及研究工作  23-27
    1.3.1 本文主要创新点  24-25
    1.3.2 本文具体研究工作  25-27
第二章基于 WSP 的相干 K 分布杂波建模方法  27-51
  2.1 相关杂波序列生成的 ZMNL 和 SIRP 法  28-36
    2.1.1 基于信息量准则的 AR 模型相关高斯序列生成方法  28-31
    2.1.2 相关杂波的 ZMNL 生成法  31-35
    2.1.3 相关 K 分布杂波序列 SIRP 生成法  35-36
  2.2 基于 WSP 法的相关相干 K 分布生成方法  36-43
    2.2.1 K 分布杂波的同相正交分量构成  36-37
    2.2.2 K 分布杂波实部虚部相关特性  37-39
    2.2.3 相关相干 K 分布杂波仿真设计  39
    2.2.4 与 ZMNL 和 SIRP 的算法复杂度比较  39-40
    2.2.5 仿真结果  40-43
  2.3 实测海杂波数据的分析和仿真  43-47
    2.3.1 实测雷达海杂波数据分析  43-45
    2.3.2 仿真  45-47
  2.4 二维相关相干 K 分布杂波生成方法  47-50
    2.4.1 二维 WSP 法原理  47-48
    2.4.2 二维 WSP 法算法实现  48-49
    2.4.3 海杂波二维 WSP 仿真  49-50
  2.5 小结  50-51
第三章海尖峰特性研究  51-79
  3.1 海尖峰定义  52-54
  3.2 海尖峰空间统计特性  54-59
    3.2.1 MMSD 检验  54-55
    3.2.2 基于 K 分布的海尖峰统计模型  55-57
    3.2.3 实测海杂波数据分析  57-59
  3.3 海尖峰时间统计特性  59-64
    3.3.1 雷达数据描述  59-60
    3.3.2 实测海杂波数据分析  60-64
  3.4 海尖峰时频能量分布特性  64-78
    3.4.1 频谱分析  64-66
    3.4.2 时频能量分布特性  66-70
    3.4.3 Doppler 频率与海尖峰发生概率之间的关系  70-74
    3.4.4 Texture 分量分析  74-78
  3.5 小结  78-79
第四章基于 CHMM 的海杂波建模与分析  79-89
  4.1 CHMM 基本原理  80-84
    4.1.1 HMM 特征及其三个基本问题  80-82
    4.1.2 CHMM  82-83
    4.1.3 观测值状态联合概率重估公式的修正  83-84
  4.2 基于 CHMM 的海杂波建模  84-88
    4.2.1 海面回波的 CHMM 状态选择  84-85
    4.2.2 实测雷达数据分析  85-88
  4.3 小结  88-89
第五章基于 NDFS 的分形海面模型研究  89-104
  5.1 NDFS 的构成  90-94
    5.1.1 未充分发展的 GW 谱  90-92
    5.1.2 GCW 谱  92
    5.1.3 CW 谱  92
    5.1.4 新 NDFS 的构成  92-94
  5.2 基于 NDFS 的动态分形海面模型  94-96
  5.3 NDFFM 的电磁散射特性  96-101
    5.3.1 电磁散射计算的双尺度法  96-99
    5.3.2 数值计算  99-101
  5.4 NDFFM 动态散射场幅值统计特性  101-102
  5.5 小结  102-104
第六章雷达目标杂波环境模拟系统  104-131
  6.1 RSSTCE 介绍  104-107
    6.1.1 系统结构  105-106
    6.1.2 性能指标  106-107
  6.2 雷达目标信号生成原理  107-113
    6.2.1 波形设计原理  107-108
    6.2.2 目标信号板结构  108-110
    6.2.3 DSP 程序流程  110-113
  6.3 雷达杂波信号生成原理  113-116
    6.3.1 杂波设计原理  113-116
    6.3.2 杂波生成原理  116
  6.4 基于 DDS 的相参脉冲信号生成原理  116-120
    6.4.1 常规脉冲相参信号生成原理  117-119
    6.4.2 线形调频相参信号生成原理  119-120
  6.5 RSSTCE 系统联机实测结果  120-129
    6.5.1 信号生成情况  120-123
    6.5.2 RSSTCE 系统与 3X 型雷达对接情况  123-126
    6.5.3 RSSTCE 系统与 4X 型雷达对接情况  126-129
  6.6 小结  129-131
总结与展望  131-135
  一、总结  131-133
  二、展望  133-135
致谢  135-136
参考文献  136-144
作者攻读博士学位期间取得的学术成果  144-146
附录A 海杂波后向散射系数 σ~0 模型  146-149
附录B K 分布形状参数模型  149-150

海杂波建模及雷达信号模拟系统关键技术研究

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