空間譜估計(jì)技術(shù)在雷達(dá)信號(hào)處理中的應(yīng)用研究.pdf

1、由于高頻雷達(dá)的工作波長(zhǎng)長(zhǎng)、作用距離遠(yuǎn)，天線口徑受地形與架設(shè)成本、維護(hù)成本等因素制約，所能獲得的雷達(dá)波束角分辨能力差強(qiáng)人意。因而理所當(dāng)然地希望應(yīng)用空間譜估計(jì)技術(shù)來(lái)獲得更好地分辨性能、更高的角估計(jì)精度等好處，籍以提高系統(tǒng)的探測(cè)性能。作為一項(xiàng)成熟的技術(shù)，空間譜估計(jì)技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于微波雷達(dá)等其它領(lǐng)域中。雖然在高頻雷達(dá)場(chǎng)合中也得到了應(yīng)用，并獲得一些性能改進(jìn)，但處理效果不盡如人意。本文從分析高頻雷達(dá)的陣列數(shù)據(jù)特點(diǎn)，以及影響空間譜估計(jì)性能的誘發(fā)因素

2、入手，綜合協(xié)方差矩陣構(gòu)造、特征子空間分解、陣列空間重構(gòu)、單批數(shù)據(jù)和噪聲相關(guān)特性信息的充分利用、以及多路徑回波不可分辨條件等方面考慮，對(duì)空間譜估計(jì)算法結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，解決空間譜估計(jì)的最佳應(yīng)用問(wèn)題，以保證其適應(yīng)性與穩(wěn)健性。
　　不同于在微波雷達(dá)中的應(yīng)用，空間譜估計(jì)算法在高頻雷達(dá)中的應(yīng)用需避開(kāi)時(shí)域幅度絕對(duì)占優(yōu)的海雜波。因而不能直接將接收陣列輸出的時(shí)域數(shù)據(jù)作為構(gòu)造協(xié)方差矩陣的數(shù)據(jù)序列。能夠獲得的陣列數(shù)據(jù)一般在經(jīng)過(guò)二維距離—速度譜變換

3、后并經(jīng)歷信號(hào)檢測(cè)處理判定的目標(biāo)譜峰區(qū)域，其特性概括描述如下：目標(biāo)譜峰數(shù)據(jù)中的多目標(biāo)為相干或強(qiáng)相關(guān)源、各陣元間噪聲相關(guān)性較強(qiáng)、目標(biāo)信噪比一般不高、數(shù)據(jù)序列很短。針對(duì)這些數(shù)據(jù)特性，需對(duì)空間譜算法結(jié)構(gòu)作適應(yīng)改進(jìn)與變通處理以適應(yīng)需求。
　　通過(guò)仿真與實(shí)際數(shù)據(jù)處理的綜合分析與驗(yàn)證，本文提出了構(gòu)建以Toeplitz構(gòu)造法為基礎(chǔ)的空間譜估計(jì)應(yīng)用的算法結(jié)構(gòu)。該構(gòu)造法既可處理相干源，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)分辨，又能在較低信噪比情況下獲得穩(wěn)健估值。
　　常

4、用特征子空間分解的依據(jù)一般是通過(guò)比較特征值的大小并根據(jù)可能的目標(biāo)個(gè)數(shù)自大至小“推定”信號(hào)特征值的個(gè)數(shù)，這容易造成信號(hào)特征子空間與噪聲子空間的分離度不佳，影響空間譜分辨性能與估計(jì)性能（估計(jì)存在偏差且有時(shí)分辨力不足）。因此，提出了一種基于特征頻率分析的空間譜估計(jì)之特征子空間分解方法，即通過(guò)考察特征頻率的位置，選取出落入信號(hào)特征頻率覆蓋范圍內(nèi)的其它特征頻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)小特征值對(duì)應(yīng)的特征頻率的提取。該方法在背景噪聲（時(shí)間與空間的）相關(guān)性較強(qiáng)以及

5、應(yīng)用Toeplitz構(gòu)造法等條件下提高了信號(hào)特征子空間與噪聲子空間的分離度，使目標(biāo)角度估值和分辨能力都有不同程度的改善，特別是在信噪比較弱的情況下，性能提高顯著?？色@得的最佳分辨力隨目標(biāo)信噪比變化，在較低信噪比條件下（檢測(cè)信噪比15dB左右）約為數(shù)字波束形成3dB波束寬度（加權(quán)函數(shù)為旁瓣電平30dB的切比雪夫窗）的1/3，在信噪比較高（檢測(cè)信噪比28dB左右）時(shí)約為1/4。
　　與地波雷達(dá)的全陣元通道工作方式不同的是，高頻天波超視

6、距雷達(dá)的信號(hào)處理與波束覆蓋數(shù)據(jù)通道相對(duì)應(yīng)，即可用于空間譜估計(jì)的數(shù)據(jù)僅是波束數(shù)據(jù)。由于沒(méi)有陣列數(shù)據(jù)用以測(cè)角，僅憑波束數(shù)據(jù)作和差比幅或比相測(cè)角，很難獲得較高的測(cè)量精度，測(cè)角偏向誤判也時(shí)常發(fā)生。另外，波束數(shù)據(jù)的相位特性不滿足去相干算法的要求，故難以直接應(yīng)用有效的空間譜估計(jì)算法。為此，提出了一種基于矩陣偽逆變換的陣列數(shù)據(jù)重構(gòu)算法。該算法不僅使在僅有波束覆蓋數(shù)據(jù)條件下應(yīng)用空間譜估計(jì)以期獲得更高的估計(jì)性能成為可能，并且還因該算法內(nèi)含的空間濾波過(guò)程可

7、以使待估目標(biāo)信噪比有所提高，因而對(duì)估計(jì)性能也有一定程度的改善，尤其是對(duì)弱小目標(biāo)而言。故此，該方法既可以用于沒(méi)有陣列數(shù)據(jù)的場(chǎng)合來(lái)獲取超分辨性能，也可以用于有陣列數(shù)據(jù)的場(chǎng)合來(lái)增強(qiáng)對(duì)弱小目標(biāo)的估計(jì)與分辨能力。
　　針對(duì)高頻雷達(dá)系統(tǒng)需要長(zhǎng)時(shí)間相參積累處理（數(shù)據(jù)率低）的特點(diǎn)，研究利用單批次數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)方法的可能性與可行性，并提出了一種解決方法。通過(guò)對(duì)陣列數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)哪繕?biāo)譜線選取并進(jìn)行Fourier反變換，可還原出目標(biāo)在多個(gè)

8、不同時(shí)刻的瞬時(shí)方位。對(duì)反變換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分段處理以獲得兩個(gè)以上的相關(guān)估計(jì)，從而計(jì)算出目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。利用高頻雷達(dá)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果表明，采用該方法可以獲得較好的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向估計(jì)；機(jī)動(dòng)變化較大的目標(biāo)（相對(duì)于相參積累大時(shí)間而言）還可以獲得較高質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)參數(shù)估值。這對(duì)于縮短目標(biāo)航跡建立時(shí)間、提高跟蹤關(guān)聯(lián)性能、改善同一目標(biāo)斷續(xù)跟蹤能力都很有實(shí)際意義。同時(shí)還能用于真假目標(biāo)的快速甄別。
　　在存在多路徑反射回波不可分辨的情況下，目標(biāo)到達(dá)方向估計(jì)往