機(jī)載陣列雷達(dá)動目標(biāo)檢測與定位方法研究.pdf

1、機(jī)載陣列雷達(dá)動目標(biāo)檢測與定位是電子戰(zhàn)的重要內(nèi)容。它主要包括相控陣?yán)走_(dá)的空時自適應(yīng)處理，目標(biāo)和干擾信號的測向以及動目標(biāo)參數(shù)估計。在機(jī)載非正側(cè)視陣?yán)走_(dá)和雙基雷達(dá)中，雜波譜具有距離依賴性，導(dǎo)致傳統(tǒng)的空時自適應(yīng)處理性能下降。同時傳統(tǒng)的DOA估計方法在實際環(huán)境中有性能損失。為了抗擊衰落，增加抑制雜波的自由度，近來MIMO技術(shù)被用于動目標(biāo)檢測與定位。本文緊密圍繞機(jī)載雷達(dá)對動目標(biāo)檢測和定位遇到的實際問題，對單基和雙基中的非均勻雜波譜補償、寬帶和互耦下

2、的DOA估計、MIMO雷達(dá)下的動目標(biāo)定位與速度估計等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。本文的具體工作如下：
　　 1.提出了Chirpz變換和空時重采樣兩種雜波補償方法，同時從雜波抑制角度利用凸優(yōu)化設(shè)計發(fā)射和接收波束。
　　 非正側(cè)陣?yán)走_(dá)雜波的空時二維譜具有距離依賴性，使空時雜波協(xié)方差矩陣估計不準(zhǔn)，嚴(yán)重影響了雜波抑制性能。為了解決距離依賴性問題，Chirpz變換法利用了任何兩個距離單元的雜波譜具有尺度關(guān)系，采用了二維Chir

3、pz變換與逆傅立葉變換對每一個距離單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，所產(chǎn)生的空時數(shù)據(jù)矩陣具有相同的空時統(tǒng)計特性。該方法計算量小。而空時重采樣法通過調(diào)整空時采樣頻率減輕距離依賴性。區(qū)別于其它補償方法，該方法使用插值濾波來獲得主瓣和旁瓣內(nèi)一致的雜波譜。隨后的空時自適應(yīng)處理可以較好地抑制雜波。
　　 傳統(tǒng)的空時自適應(yīng)處理僅考慮了接收波束進(jìn)行雜波抑制。在某些特定場景中，利用電子地圖、SAR圖像和GPS等手段獲得場景地物分布的知識是可能的。根據(jù)地面先

4、驗知識，在發(fā)射波束設(shè)計中，在一些強反射方向上形成一定的凹口，同時為了減少旁瓣雜波，本文將發(fā)射陣列對地形成低旁瓣，對空形成高旁瓣。發(fā)射波束是采用凸優(yōu)化方法實現(xiàn)的。當(dāng)檢測遠(yuǎn)距離目標(biāo)時，STAP的訓(xùn)練樣本較少，筆者采用凸優(yōu)化方法有效地設(shè)計了低旁瓣的自適應(yīng)接收波束。
　　 2.分析了四種雙基結(jié)構(gòu)下的雜波距離依賴關(guān)系，并對它們進(jìn)行了補償。與單基雷達(dá)系統(tǒng)相比，雙基機(jī)載雜波特性更加復(fù)雜。針對垂直基線正側(cè)陣、垂直基線前視陣、水平基線正側(cè)陣和水平

5、基線前視陣四種典型的雙基雷達(dá)系統(tǒng)，分析了其多普勒頻率與距離的關(guān)系。分析和仿真證明：垂直基線下同一距離單元的雜波多普勒頻率和空間角頻率存在線性關(guān)系，不同距離的雜波譜中心有較好的重合度，越遠(yuǎn)離中心譜重合度越差。對正側(cè)陣雙基雷達(dá)，水平基線比垂直基線對雜波譜有更大影響，而對垂直基線和水平基線的前視陣，雜波譜的擴(kuò)散主要受陣列軸向影響。在此基礎(chǔ)上，針對垂直基線正側(cè)陣?yán)走_(dá)雜波特點，提出了一種減輕距離依賴性的譜旋轉(zhuǎn)補償法。該方法給出了空時旋轉(zhuǎn)矩陣，在每

6、個距離單元上實現(xiàn)了空時譜相應(yīng)角度的旋轉(zhuǎn)，使所有距離單元的雜波譜線斜率一致(重合)。對后三種雙基雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下雜波譜，根據(jù)雜波多普勒頻率與距離關(guān)系，采用了已有的角度-多普勒頻率搬移的方法進(jìn)行了補償。
　　 3.在寬帶信號和互耦兩種非理想條件下，分別提出了尺度變換和奇異值分解方法。對信號(干擾)源進(jìn)行DOA估計是機(jī)載雷達(dá)的一項重要工作。一些非理想條件，例如干擾是寬帶的，陣元間存在互耦，給DOA估計帶來了挑戰(zhàn)。為了更好地進(jìn)行寬帶DOA

7、估計，本文提出了一種尺度方法。它不需要預(yù)先知道信號到達(dá)方向，而是根據(jù)不同頻帶下的空間譜具有的尺度伸縮關(guān)系，采用了Chirpz變換和逆傅立葉變換的簡單處理方案。該方法有效地實現(xiàn)了信號子空間的聚焦，而且具有運算量低的特點?？紤]互耦效應(yīng)，本文提出了基于奇異值分解的DOA估計方法。該方法一般只需要有限次迭代便可得到較為精確的結(jié)果，是一種盲校正方法。然而在某些情況下，由于迭代可能會陷入局部極小點，本文針對單信號源和多信號源分別提出了改進(jìn)方法。

8、r>　　 4.提出了統(tǒng)計MIMO雷達(dá)下的目標(biāo)定位和速度估計方法，并對相干MIMO雷達(dá)的性能進(jìn)行了分析。
　　 MIMO雷達(dá)分為統(tǒng)計MIMO和相干MIMO兩類。在統(tǒng)計MIMO雷達(dá)目標(biāo)定位方面，本文利用系數(shù)矩陣誤差存在相關(guān)性的特點，提出約束總體最小二乘的定位方法，并推導(dǎo)了定位誤差公式。為了利用統(tǒng)計MIMO雷達(dá)對動目標(biāo)測速，本論文利用了目標(biāo)對應(yīng)于各發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的速度矢量關(guān)系，合成出目標(biāo)運動方向上的速度。在此基礎(chǔ)上，將目標(biāo)運動方向上

9、的速度矢量投影到接收機(jī)和目標(biāo)的連線方向上，估計出目標(biāo)徑向速度，并對估計性能進(jìn)行了分析。
　　 本文對相干MIMO雷達(dá)性能進(jìn)行了分析，并與相控陣?yán)走_(dá)收發(fā)雙程波束進(jìn)行了比較。理論分析和仿真結(jié)果表明：利用全部虛擬陣元形成的MIMO(全MIMO)波束與相控陣?yán)走_(dá)雙程波束相同，而僅利用不重疊陣元形成的MIMO(部分MIMO)波束寬度較窄，但有很大的增益損失；在發(fā)射天線稀布的情況下，部分MIMO雷達(dá)能夠避免波束出現(xiàn)柵瓣；用作搜索雷達(dá)時，部分