高频地波雷达多域协同抗电离层杂波干扰方法研究

摘要

由于工作在电磁环境复杂的短波波段，高频地波雷达容易受到短波电台、电离层杂波等各类射频干扰的影响。其中，电离层杂波是目前限制高频地波雷达生存能力的最大因素。传统高频地波雷达抗电离层杂波的方法主要使用时频域、空域和极化域的部分信息进行杂波抑制，由于未充分利用目标与杂波的全部信息，抗干扰的效果受到限制，适用范围也存在一定局限性。
　　综合利用空域和极化信号处理的优势，实现多域协同抗干扰是解决上述问题的有效手段。本课题以空域信号处理和极化域信号处理为基础，研究了以斜投影为数学工具进行干扰抑制的方法，深入挖掘空域和极化域滤波的潜力。在此基础上，进一步研究将时频域、空域和极化域信号处理有机结合进行多域协同电离层杂波抑制的系统和方法。全文的主要研究内容如下：
　　1、第2章中基于长期观测的大量实测数据，分析了电离层杂波在时域、多普勒域、极化域以及空域的特征，研究了电离层杂波的时间非平稳性。然后在简要介绍斜投影算子的基础上，概述了多域协同抗干扰方法的基本框架，为后续抗干扰方法研究奠定基础。
　　2、第3章中具体研究了在空域进行干扰抑制的方法。利用空域滤波进行干扰抑制是当今高频地波雷达抑制射频干扰的主要手段，但也存在一系列的问题。首先是如何设计最优滤波器，在保持目标信号相参特性的同时实现最优的干扰抑制；其次，如何实现多干扰条件下的干扰抑制也是亟待解决的问题；此外，考虑到高频地波雷达实际系统的阵列孔径受限，往往导致常规空域滤波器无法形成足够窄的主瓣或空域凹口，当电离层杂波与目标方位较为接近时，滤波后信干比改善不理想。
　　为解决上述问题，本章中首先以斜投影空域滤波器为基础，针对单干扰抑制问题提出了基于最优 SINR准则的改进斜投影空域滤波器。斜投影空域滤波器可保证目标无失真的通过，同时在干扰方位形成空域零陷将其抑制。从而在最大程度上抑制干扰的同时保持目标信号的相参特性。特别的，这种抑制能力对位于主瓣外和主瓣内的干扰同样有效，具备抑制主瓣干扰的能力。针对斜投影空域滤波器在空间主角较小时的噪声增益较大问题，提出了基于SINR最优准则的改进斜投影空域滤波器，改善了低信噪比条件下斜投影空域滤波的SINR性能。
　　针对多干扰抑制问题，本文提出了斜投影空域滤波的多干扰抑制算法， 针对多个方位同时存在电离层杂波的情况，在距离多普勒域进行干扰抑制。该方法通过构造多个并行的斜投影空域滤波器，在干扰方位分别形成相应的空域零陷以期分别抑制多个电离层杂波。以此为基础，在距离多普勒域进行逻辑积操作，从而将所有干扰同时抑制掉。
　　进一步的，本章提出了一种距离多普勒域的主瓣干扰抑制空域滤波算法，用于解决干扰方位无法准确估计时的干扰抑制问题。该算法在多干扰抑制算法的基础上，一方面增加空域凹口的数量，以覆盖更多的非期望方向；另一方面利用单个斜投影空域滤波器可抑制主瓣内干扰的特点，通过将部分凹口设置在主瓣内实现了主瓣干扰抑制。
　　3、第4章中研究极化域干扰抑制方法。基于斜投影的极化滤波器由于无需满足极化子空间的正交性，在干扰极化抑制方面具有很大的潜力，但目前斜投影极化滤波器主要在时域和频域进行。本文将其进一步拓展到距离多普勒域和距离时间域。首先，提出了距离多普勒域电离层杂波抑制算法。针对功率较低的电离层杂波，在距离多普勒域设定杂波样本窗进行极化估计和杂波抑制；其次，提出了距离时间域电离层杂波抑制算法，针对能量和非平稳性较强的电离层杂波在距离时间域进行分组估计和极化抑制。最后，在两种算法的基础上提出了电离层杂波综合抑制的方案，在极化域实现了对非平稳电离层杂波的有效抑制。
　　4、第5章中研究多域协同干扰抑制方法，提出了斜投影空域极化域协同滤波干扰抑制算法并对高频地波雷达电离层杂波干扰进行了抑制。
　　斜投影空域滤波和极化滤波具有各自的特点，但是当目标与杂波方位完全重合或者极化状态接近时，上述两种滤波器的性能都会变差。为解决这一问题，论文中利用极化敏感阵列同时获取信号空域和极化域信息，并以此为基础构建了多域协同系统模型。文中首先研究了基于极化敏感阵列的斜投影多域协同滤波器的优势和特点；其次，研究了极化敏感阵列信号参数估计的等效方法；再次，研究了具有极化辅助通道的高频地波雷达天线阵与极化敏感阵列之间的关系；最后，结合距离多普勒域的斜投影极化滤波和斜投影空域滤波算法的思想，提出了斜投影空域极化域协同滤波干扰抑制算法，在空域和极化联合域实现了电离层杂波的多域协同抑制。此外，还进一步提出了多波束合成算法，在保持杂波抑制效果的同时扩大了观测目标的角度范围，以保持与传统雷达相近的处理效果。
　　理论分析和实测数据处理结果表明：利用本文提出的基于斜投影的空域和极化域滤波算法，电离层杂波可得到较好的抑制；而多域协同处理可在此基础上，实现更好的杂波抑制效果。论文验证了多域协同处理的优势和可行性，为下一代高频地波雷达抗干扰提供了一种有价值的解决方案，也为后续基于极化敏感阵列的抗干扰研究提供了启发和思路。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1研究的背景及意义

1.2国内外高频雷达研究现状

1.3高频雷达抗干扰研究概述

1.4本论文的主要研究内容

第2章 高频地波雷达电离层杂波干扰及多域协同

2.1电离层杂波及其特征

2.2高频地波雷达多域协同抗干扰基本原理

2.3本章小结

第3章 基于斜投影的非平稳电离层杂波空域抑制

3.1引言

3.2斜投影空域滤波器

3.3改进的斜投影空域滤波器

3.4多干扰条件下的斜投影空域滤波器

3.5本章小结

第4章 基于斜投影的非平稳电离层杂波极化抑制

4.1引言

4.2斜投影极化滤波原理

4.3距离多普勒域电离层杂波极化抑制

4.4距离时间域电离层杂波极化抑制

4.5非平稳电离层杂波抑制方案

4.6本章小结

第5章 多域协同干扰抑制方法

5.1引言

5.2信号接收模型

5.3斜投影空域极化域协同滤波

5.4基于极化敏感阵列的多域协同高频地波雷达抗干扰算法

5.5与多域级联处理对比

5.6本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其他成果

声明

致谢

个人简历