电离层相位污染及多模传播抑制方法研究

摘要

电离层具有时变、色散、吸收、各向异性等诸多特性,是高频天波雷达重要的传输媒质。电离层非平稳性引起的信号相位路径扰动和多层结构导致的多模式效应,使得高频天波雷达杂波频谱展宽,影响舰船等慢速目标检测,降低海态参数反演精度。因此,系统地对电离层相位污染和多模传播抑制进行研究,具有重要的理论价值与实际意义。
　　本文围绕电离层相位污染和多模传播抑制研究展开,研究内容集中于电离层相位污染和多模传播对雷达三维信号处理的影响、电离层相位污染抑制、多模传播抑制、电离层相位污染和多模传播检测与识别等方面:
　　1、深入分析了电离层相位路径空时变化特性及多模传播对高频天波雷达距离、方位、多普勒三维信号处理影响。根据电离层电波传播相位路径和群路径的定义,从理论角度阐述了二者物理意义的差别。利用解析射线追踪技术对不同工作频率、不同仰角下的群路径、相位路径及二者之差进行了仿真分析,从数值角度说明群延时与相位延时差别不可忽略。针对目前高频天波雷达距离、方位、多普勒三维信号处理中群路径和相位路径不加区分的研究误区,本文引入群路径和相位路径,重新推导了高频天波雷达距离、方位、多普勒三维信号处理表达式。
　　2、深入分析了目前广泛应用的解相位污染算法的优缺点及适用条件。研究了PGA、相位差分、秩一相位估计法等解小幅度、慢变化相位污染算法的滤波带宽选取问题,提出了基于最小熵的一阶杂波滤波带宽自适应度量算法,利用该算法对不同污染程度的杂波频谱进行了仿真验证,并利用实测返回散射定频数据验证了基于自适应滤波带宽的PGA算法相比基于固定滤波带宽的PGA方法估计精度的提升。分析了STFT、WVD、PWVD、SWVD、SPWVD等解大幅度相位污染算法的时频凝聚性和交叉项的矛盾问题。给出了联合时频分布结果,指出 STFT-SPWVD联合变换时频凝聚性和交叉项特性综合效果最佳,并进行了仿真验证。研究了STFT-SPWVD联合时频分布在电离层相位污染抑制中的应用,特别是与PGA等解污染方法级联使用,抑制效果更佳,并利用试验数据验证。针对解快相位污染的分段多项式相位建模算法的阶数选择问题,依据多项式相位信号的参数估计理论及主要性质,给出了两种简单、准确、快速确定多项式相位信号阶数的算法——时域法和频域法。通过仿真分析和试验数据验证,与采用预先设定阶数的多项式相位建模算法相比,改进后的方法可获得更好的解污染性能。
　　3、深入分析了最适于工程应用的基于频率选择的多模传播抑制方法,针对该方法的核心问题——返回散射传播模式区域提取,提出了一种结合图像处理、信号处理和电波传播理论的自动提取算法,解决了以往人工判读的非实时性和不一致性。给出了阈值噪声抑制、射频干扰抑制、混合噪声抑制、信号补偿等多种图形预处理算法。利用最小二乘拟合算法,结合 Prewitt算子,在图形预处理基础上实现了单层和多层返回散射电离图前沿的自动提取。分析了返回散射电子浓度反演技术,给出了单层和多层返回散射电离图尾沿和后沿提取方法,最终实现了多模传播下返回散射探测传播模式区域识别。利用实测数据,验证了上述方法的有效性。
　　4、针对工程应用中的相位污染和多模传播检测与识别问题,提出了一套自适应检测、识别算法,可实现无相位污染和多模传播(I)、仅经历相位污染(II)、仅经历多模传播(III)、相位污染和多模共存(IV)等四类情形识别。给出了时间可逆法判断相位污染存在性的理论推导,指出单独应用该方法虽可检测相位污染,但不能实现上述四类情形识别。提出了基于特征分解的多模传播检测方法,并将时间可逆法与特征分解法级联应用,在满足相邻距离、方位单元污染函数模型同一性假设条件下,可实现 I、III类情形识别及传播模式数目提取。在此基础上，给出了一种基于回波时间序列 Hankel矩阵的电离层相位污染和多模传播检测方法,该方法无需满足污染函数模型相同假设,即可实现I、III类情形识别及传播模式数目估计,但该方法对信噪比较为敏感,使用时需先进性噪声抑制。此外,本文还给出了基于返回散射探测传播模式区提取的多模传播识别与时间可逆法或 Hankel矩阵法的级联应用方法,实现了II、IV类情形识别。通过仿真分析和试验数据验证,上述方法有效。
　　本文主要目的是对高频天波雷达电离层相位污染和多模传播抑制方法进行研究,并提出相位污染、多模传播以及二者共存情形下检测、识别算法。本文提出相位污染和多模传播检测、识别、抑制方法具有良好的实际应用价值,可为高频天波雷达系统设计提供借鉴与参考。

目录

电离层相位污染及多模传播抑制方法研究

RESEARCH ON SUPPRESSION METHODS OF PHASE CONTAMINATION AND MULTIMODE PROPAGATION IN IONOSPHERE

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究目的和意义

1.1.1 天波超视距雷达概述

1.1.2 课题目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 电离层相位污染抑制研究现状及分析

1.2.2 电离层多模式传播引起频谱展宽抑制研究现状及分析

1.2.3 小结

1.3 本文的主要研究内容及结构

1.3.1 相位污染和多模传播抑制需要解决的问题

1.3.2 文章结构安排

第2章 相位污染及多模传播对雷达信号处理影响研究

2.1 引言

2.2 群延时与相位延时

2.3 相位污染对雷达信号处理影响

2.3.1 距离维回波信号处理

2.3.2 方位维回波信号处理

2.3.3 多普勒维回波信号处理

2.4 多模传播对雷达信号处理影响

2.4.1 距离维回波信号处理

2.4.2 方位维回波信号处理

2.4.3 多普勒维回波信号处理

2.5 相位路径和群路径差异仿真分析

2.5.1 准抛物模型

2.5.2 群路径、相位路径解析公式推导

2.5.3 群路径、相位路径及其差异仿真

2.6 本章小结

第3章 电离层相位污染抑制

3.1 引言

3.2 相位污染抑制概述

3.3 杂波滤波带宽的自适应提取

3.3.1 基于最小熵的杂波滤波带宽自适应测度

3.3.2 杂波滤波带宽自适应测度仿真研究

3.3.3 实验数据验证

3.4 改进的时频分布解相位污染

3.4.1 短时傅立叶变换

3.4.2 Winger-Will分布

3.4.3 基于STFT和WVD的联合变换

3.4.4 仿真研究

3.4.5 实验数据验证

3.5 改进的分段多项式相位建模解相位污染

3.5.1 分段多项式建模算法及性质

3.5.2 多项式建模阶数自适应选择方法

3.5.3 仿真结果

3.5.4 实验数据验证

3.6 本章小结

第4章 电离层多模传播抑制

4.1 引言

4.2 多模传播抑制研究概述

4.3 基于频率选择的多模传播抑制研究

4.3.1 返回散射前沿提取

4.3.2 返回散射尾沿、后沿提取

4.4 本章小结

第5章 电离层相位污染、多模传播检测与识别

5.1 引言

5.2 相位污染、多模传播检测与识别算法研究

5.2.1 时间可逆法检测相位污染

5.2.2 特征分解法检测多模传播

5.2.3 时间可逆法与特征分解法的级联应用

5.2.4 Hankel矩阵法检测相位污染和多模传播

5.2.5 基于返回散射传播模式区提取的多模传播检测

5.3 实测数据验证

5.3.1 I类情形检测与识别验证

5.3.2 II类情形检测与识别验证

5.3.3 III类情形检测与识别验证

5.3.4 IV类情形检测与识别验证

5.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

个人简历