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高频雷达自适应抗干扰技术研究

作　者: 李雷
导　师: 许荣庆
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 高频地波雷达电离层杂波天波电台干扰杂波干扰抑制
分类号: TN958.93
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

利用高频段垂直极化电磁波能够沿海洋表面绕射传播的机理,高频地波雷达能够实现对海上舰船目标和低空飞行目标的超视距探测,同时,为海洋资源管理和开发提供了新的途径。因此,世界上许多国家都投入了大量精力进行高频地波雷达的研制工作。电离层是目前影响高频雷达生存能力的最大障碍,一方面电离层反射高频雷达自身发射信号,通过复杂的调制和路径回到雷达接收机,形成电离层杂波;另一方面电离层传播远距离电台反射进入接收机,形成天波电台干扰。电离层杂波和天波电台干扰抬高了整个雷达探测谱基底,破坏了检测背景,给舰船等有用目标的探测带来了极大困难,直接影响到雷达的威力范围。因此,如何有效地抑制电离层杂波和天波电台干扰,改善检测性能,进而增大雷达的探测距离便成了高频地波雷达所必须解决的关键技术难题。本文的研究任务就是在上述课题背景下提出来的,全文主要贡献总结如下:1.基于长期观测和大量统计数据首次对赤道地区电离层杂波特性进行了详尽分析。分析了高频雷达电离层杂波的成因,路径及其传输特性。杂波按进入接收机路径被分为垂直向电离层杂波和海面传播电离层杂波。对电离层杂波的时域、距离域、多普勒域等特性进行了深入的比较分析,并着重研究了杂波的空间方向特性,比较了不同杂波(特别是垂直向和海面传播电离层杂波)的异同点,为电离层杂波抑制技术的研究提供了思路和可能的解决途径。2.首次提出了高频雷达阵列天线幅相误差实时盲校准方法,给出了接收机带内及路间不一致性补偿方法。高频雷达工作环境十分恶劣,阵列天线的幅相误差较大,破坏了雷达波束的旁瓣和凹口零值深度,为进行杂波干扰抑制,阵列幅相误差校准势在必行。本文选用了孤立的大信噪比目标作为校准源对雷达阵列天线幅相误差进行了测量和校准,并提出一种适合于实时处理的校准目标盲搜索方法,校准后阵列天线幅度误差从±2dB降低为±0.5dB,相位误差从±20o降低为±3o。对于接收机带内及路间幅相不一致性,提出了脉冲串补偿信号频域逐点补偿的方法,有效的保证了目标信号回波的脉压结果,同时降低了路间不一致程度,补偿后经模拟信号源测得路间幅度不一致性从0.776dB降低到0.005dB,相位不一致性从42度降至0.02度。接收系统误差校准降低了进入旁瓣的杂波能量,同时为自适应抗干扰的研究提供了保障。3.基于电缆移相的方法构造了新的接收天线,抑制了天顶及附近方向的垂直向电离层杂波,同时,提出了基于水平极化辅助天线和垂直向辅助波束的垂直向杂波旁瓣对消方法。在不增加信号处理复杂度前提下,新接收天线的垂直波束方向图凹口位于天顶方向,提高了接收系统对垂直面天顶及附近方向的抑制能力,降低了电离层杂波进入系统的能量。同时,探讨了利用水平极化辅助天线,垂直方向波束辅助通道进行旁瓣对消的方法,实测雷达数据处理结果均取得了一定的抑制效果。4.研究并系统实现了海面电离层杂波抑制,较弱杂波和阵列天线误差较小的情况下,提出了基于目标海杂波样本剔除的预检测对消方法(DBC),在强杂波或阵列误差较大情况下,提出了基于多次检测的迭代变加载预检测对消方法(RVDL-DBC),应用于实际系统,效果良好。针对空间单凹口滤波器辅助通道电离层杂波对消方法在实际处理过程中存在的目标损失和基底抬高等问题,提出了基于目标海杂波样本剔除的预检测对消方法(DBC),通过适当的数据选择准则,把预检测到的目标和海杂波信息从训练样本中剔除,保证了训练样本中仅含电离层杂波数据,获得了更有效的对消结果。在此基础上,针对强杂波或较大阵列误差情况,首次提出了基于多次检测的迭代变加载预检测对消方法(RVDL-DBC),逐步检测出淹没在杂波中的目标,有效的保证了杂波对消后的目标特性。最后给出了切合实际的电离层杂波抑制系统方案,通过大量实测数据处理,结果表明该方案在保证目标信息损失最小情况下有效的抑制了电离层杂波,改善了雷达检测背景,能够满足高频雷达系统自适应抗电离层杂波干扰的需要。5.研究了高频雷达电台干扰抑制技术,提出了基于稳健最小二乘(RLS)的电台干扰抑制方法,探讨了超分辨算法在电台干扰抑制中的应用。基于凸最优的思想,提出了稳健的最小二乘天波电台干扰抑制方法,通过修正水平接收通道的数据,在最差的误差环境下达到了最优的干扰抑制性能,并给出了有效求解方法,通过实际数据处理结果验证了算法的有效性。此外,本文最后探讨了超分辨算法用于电台干扰抑制的实验结果。通过本文的研究,突破了高频雷达电离层杂波和天波电台干扰抑制中的关键技术。改善了雷达的检测背景,保障了高频雷达全天候工作的能力,进而提高了雷达的总体性能。为整个雷达系统的研制提供了有力的帮助,具有非常大的应用价值和实际意义。

全文目录

摘要  4-7
Abstract  7-16
第1章绪论  16-33
  1.1 课题的目的及意义  16-18
  1.2 国内外超视距雷达发展概述  18-20
    1.2.1 国外超视距雷达发展概述  18-20
    1.2.2 我国超视距雷达发展状况  20
  1.3 高频雷达信号环境与干扰杂波抑制综述  20-24
    1.3.1 海杂波  20-21
    1.3.2 电离层杂波  21-22
    1.3.3 电台干扰  22-23
    1.3.4 其他类型干扰与外部噪声  23-24
  1.4 自适应对消信号处理方法综述  24-30
    1.4.1 自适应阵列信号处理  24-25
    1.4.2 现代谱估计技术  25-26
    1.4.3 阵列误差校准与接收机幅相不一致性补偿  26-27
    1.4.4 自适应子空间检测  27-28
    1.4.5 数据域样本自适应训练  28-29
    1.4.6 凸最优在自适应信号处理中的应用  29
    1.4.7 知识辅助的自适应信号处理  29-30
    1.4.8 自适应极化滤波  30
  1.5 本文主要研究内容  30-33
第2章高频地波雷达原理与电离层杂波特性分析  33-54
  2.1 高频地波雷达工作原理  34-36
    2.1.1 高频地波雷达系统结构  34-35
    2.1.2 高频地波雷达信号处理流程  35-36
  2.2 电离层杂波特性分析  36-52
    2.2.1 电离层组成结构  36-39
    2.2.2 电离层杂波成因  39-41
    2.2.3 电离层杂波传输特性  41-44
    2.2.4 电离层杂波分类与谱特性分析  44-48
    2.2.5 电离层杂波空域特性  48-52
  2.3 电离层杂波抑制难点分析  52-53
  2.4 本章小结  53-54
第3章高频雷达接收系统误差补偿  54-68
  3.1 杂波干扰抑制对高频雷达接收系统的要求  54-57
    3.1.1 自适应杂波干扰对消基本原理  54-56
    3.1.2 接收系统误差对杂波干扰对消的影响  56-57
  3.2 阵列天线误差测试及校准  57-62
    3.2.1 高频雷达阵列幅相误差测量  57-59
    3.2.2 阵列天线幅相误差校准源的选择  59-60
    3.2.3 阵列天线幅相误差校准算法  60
    3.2.4 阵列天线幅相误差校准结果  60-62
  3.3 接收机带内和路间幅相不一致性补偿  62-66
    3.3.1 接收机幅相不一致性测量  63-64
    3.3.2 接收机幅相不一致性补偿方法  64-65
    3.3.3 接收机幅相不一致性补偿实验结果  65-66
  3.4 本章小结  66-68
第4章垂直向电离层杂波对消方法研究  68-80
  4.1 垂直向电离层杂波辅助通道旁瓣对消  68-74
    4.1.1 水平极化辅助天线  69-71
    4.1.2 垂直方向图构造辅助通道  71-74
  4.2 构造新的接收天线单元抑制垂直向电离层杂波  74-78
    4.2.1 接收天线单元垂直方向图控制方法  74-76
    4.2.2 新接收天线抑制杂波实验结果  76-78
  4.3 本章小结  78-80
第5章海面传播电离层杂波对消方法研究  80-105
  5.1 单凹口滤波器辅助通道电离层杂波对消方法  80-89
    5.1.1 算法基本原理  80-83
    5.1.2 单凹口滤波器构造方法与凹口加宽  83-85
    5.1.3 单凹口滤波器辅助通道杂波对消实验结果与性能分析  85-87
    5.1.4 单凹口滤波器辅助通道杂波对消算法存在的问题  87-89
  5.2 单凹口滤波器辅助通道杂波对消的改进方法  89-99
    5.2.1 基于目标海杂波剔除的预检测对消(DBC)方法  90-94
    5.2.2 基于多次检测的迭代变加载预检测对消(RVDL-DBC)方法  94-97
    5.2.3 杂波对消后检测判决  97-99
  5.3 电离层杂波自适应对消算法总结  99-103
    5.3.1 电离层杂波自适应对消算法流程  99-102
    5.3.2 实测数据电离层杂波抑制结果  102-103
  5.4 本章小结  103-105
第6章天波电台干扰抑制方法研究  105-118
  6.1 基于最小二乘的稳健天波电台干扰抑制方法  105-112
    6.1.1 天波电台干扰抑制存在的问题  106-108
    6.1.2 稳健最小二乘(RLS)干扰抑制算法  108-111
    6.1.3 实测数据处理结果  111-112
  6.2 基于超分辨谱估计的电台干扰抑制方法  112-117
    6.2.1 超分辨谱估计干扰抑制算法  112-115
    6.2.2 实测数据处理结果  115-117
  6.3 本章小结  117-118
结论  118-121
参考文献  121-134
攻读博士学位期间发表的学术论文  134-137
致谢  137-138
个人简历  138

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