混合体制高频超视距雷达抗电离层干扰方法研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ah20090907
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超视距雷达具有大范围的监视能力,主要用于预警,是低空防御的一种有效探测手段;同时也可用于探测海面舰船等目标、采集海面环境数据等,因此也是实时监测专属经济区的有效手段。混合体制高频超视距雷达则是一种采用天波发射-地波接收工作模式的新体制雷达,这种混合体制雷达系统的提出是希望可以同时发挥高频天波超视距雷达和高频地波超视距雷达的优势,弥补各自的缺陷,进一步提高雷达的工作性能。由于电离层在雷达系统工作过程中扮演着不可忽视的角色,因此电离层对于工作在高频波段的混合体制雷达系统也会产生各种影响。一方面,电离层运动造成的电离层污染会导致雷达回波谱的多普勒展宽,其中海杂波的展宽会淹没 Bragg峰附近的海面舰船等慢速目标;另一方面,电离层杂波的产生则会导致雷达回波谱噪声基底的抬高,有可能会淹没不同距离上存在的目标。因此电离层的存在会降低混合体制雷达的目标探测能力,影响雷达系统的整体性能,限制其应用和推广。  现在还没有人专门研究电离层对这种混合体制雷达系统的影响,因此相关内容和抑制电离层干扰技术的研究就成为了混合体制雷达系统需要解决的关键问题。本文在介绍混合体制高频超视距雷达系统的基础上,研究了电离层对混合体制雷达系统的各种具体影响,并且分别给出了相应的抑制方法。本文将针对上述问题展开研究,全文的主要内容如下:  1.本文对这种混合体制雷达系统的相关基础理论进行了研究。结合混合体制高频超视距雷达的特点,讨论了电离层对混合体制雷达系统的影响,并且分析了各种影响的特点。  结合混合体制高频超视距雷达系统的几何布局特点解释了系统的基本工作原理,同时给出了系统对应的雷达方程,推导了系统的定位原理,并分别在考虑地球曲率和忽略地球曲率的情况下分析了系统的定位精度。选择了适合本系统工作的信号形式,还讨论了用于对数据进行常规处理的距离处理方法和多普勒处理方法的原理和用途。这些内容为后续的研究奠定了基础。  介绍了电离层的分层结构、各层的特点和电离层杂波的产生原理等。分别从混合体制高频超视距雷达的天波发射过程和地波接收过程这两个角度出发,讨论了电离层对混合体制雷达系统造成的两种主要影响,即电离层扰动(相位污染)导致的回波谱展宽和电离层杂波导致的噪声基底抬高。同时,分析了每种影响的产生和作用原理,并且分别与电离层对高频天波雷达和高频地波雷达造成的影响进行了对比。结果表明它们的区别主要在于:高频天波雷达中是双程污染,混合体制雷达系统中则是单程污染;高频地波雷达中包含垂直向电离层杂波和水平向电离层杂波,混合体制雷达系统中则仅包含垂直向电离层杂波。  在混合体制雷达系统的背景下,针对实验雷达系统实测数据处理结果中观察到的海杂波展宽等现象,分析了产生这些现象的机理,并利用实测数据对这些理论进行了验证。即海杂波的展宽是电离层污染和双基地角的共同作用造成的,同时海杂波的展宽程度受双基地角的影响随不同方位轻微变化。针对实测数据处理结果中出现于特定高度范围的电离层杂波,提出了扩散Es层杂波的概念将其归类。利用多重信号分类法(MUSIC),通过对大量雷达回波数据进行处理和分析,得到了混合体制雷达系统中电离层杂波的方向性特性。即占据较少距离单元的电离层杂波具有一致性的方向性;占据较多距离单元的电离层杂波则不具有。此外,还研究了其方向性特性不会随工作频率变化的特点。这些结果将是研究抑制电离层干扰方法的重要依据。  2.针对电离层污染问题,给出了基于分段多项式建模的电离层污染校正算法。  在原有基于分段多项式建模的电离层相位污染校正方法基础上,结合实验雷达系统所获实测数据的相位污染特点,针对原有方法部分处理细节上的不适用性,分析给出了相位缓变信号应采用的分段原则。根据分段后每段数据的相位变化情况,提出了改进的阶数选择方法,降低了原有算法的复杂度,提高了算法效率,特别是对于实际数据中常出现的分段后每段数据相位变化很小的情况,算法的改善效果更加明显。同时,对于相位补偿时可能出现的相位残差跳变对补偿效果的影响进行了分析,并给出了相应的跳变补偿方法,即对相位残差的跳变进行平滑处理。此外,还分析了电离层幅度污染对回波信号的影响,并提供了初步的补偿方案。给出了电离层污染校正算法的完整实现流程,实测数据的处理结果表明了算法的有效性,也表明该算法更适合应用于工程实际。  3.针对电离层杂波问题,研究了基于自适应阵列的电离层杂波抑制方法。  介绍了自适应阵列处理技术的相关理论,根据混合体制雷达系统的实际情况,选择了利用原有天线阵元的最小均方自适应阵列作为本文算法研究的基础。基于算法要实现的目的,利用大量的实测数据,分析并选择了算法中适合实际雷达系统的最优权值定义。分析了算法对实测数据中海杂波的影响,根据是否需要保留海杂波信息,分别给出了相应的处理办法。讨论了可能影响电离层杂波抑制算法性能的其他因素,分别给出了适合本雷达系统的相应选择。就训练样本而言,选择一个距离单元上的所有多普勒单元数据作为训练样本;就辅助天线阵列的阵元个数而言,选择3-4个阵元为宜。在前面的基础上,提出了一种新的辅助天线阵列构成,给出了相应的电离层杂波抑制算法处理流程。实测数据的处理结果证明了算法带来的改善,新的算法优于原算法。此外,对在利用算法处理大量实测数据的过程中出现的现象进行了解释说明,指出了该算法的特点和局限性。  研究电离层的影响和抑制电离层干扰的技术,不仅对现役雷达存在的类似问题的解决具有借鉴意义,还可为混合体制雷达系统的研究提供理论基础,具有较大的现实意义和长远的发展利益。
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