米波阵列雷达低仰角目标测高方法研究

摘要

米波雷达由于在反隐身、抗反辐射导弹等方面具有独特优势而在近些年来备受关注。众所周知，对目标高度的精确测量是现代三坐标雷达需要完成的一项重要任务。然而，当米波雷达对低仰角目标进行探测跟踪时，其对目标的定位性能将受到由地面反射引起的多径效应的影响，特别是在多径反射信息未知的复杂阵地环境下，米波雷达对低仰角目标的测高性能受多径效应的影响尤为严重。传统的米波雷达均不同程度上受到多径效应的影响，因此如何改善米波雷达对低仰角目标的定位精度是其在现代防空预警体系中发挥巨大潜力的关键问题之一。 本论文在前人研究的基础上，针对常规阵列米波雷达以及多输入多输出（Multiple Input Multiple Output,MIMO）米波雷达在低仰角目标测高中的关键问题展开研究，具体工作可概括如下： 1.研究了米波阵列雷达低仰角测高模型与多径传播机理。首先，分析了影响米波雷达对低仰角目标测高精度的主要因素以及解决该问题的技术难点，并分别给出理想平面反射和考虑地球曲率的两种经典的多径信号模型；然后，分别从地球曲率对多径传播的影响、有效Fresnel反射区域以及镜面反射三方面对多径传播机理进行了详细研究；最后，简单介绍了三种常见的低仰角测高技术：空间平滑超分辨算法、最大似然类算法以及基于压缩感知技术的方法，并通过理论分析与仿真实验对各算法的优缺点进行了讨论。 2.研究了基于地球曲率的复杂阵地下低仰角测高方法。针对现有基于确定性空间结构关系类算法在阵地反射面信息未知且时变的复杂地形环境下性能恶化的问题展开研究。首先，建立了一种同时考虑地球曲率和地面反射系数的多径传播信号模型；其次，分析了经典MUSIC算法不适用于低仰角目标测高的原因并提出了一种基于交替投影的改进MUSIC测高算法；最后，通过计算机仿真数据以及实测数据对所提算法的估计性能进行了验证，实验结果表明所提算法在复杂地形环境下可有效提高对目标仰角及高度的估计性能。 3.研究了小样本的复杂背景环境下低仰角测高方法。针对现有基于子空间类算法及基于确定性空间结构关系类算法在仅有少量可用样本的复杂阵地环境下估计性能下降的问题进行研究。首先，建立了复杂阵地下的多径传播信号模型，并通过低秩分解技术对阵列接收数据进行预处理，从而达到降低数据维数以及在信号子空间内实现构造联合多样本的稀疏表示问题；然后，在稀疏表示框架下提出了一种基于自适应精细化字典的低仰角目标测高算法，同时对低仰角目标DOA估计克拉美罗界进行了推导；最后，通过计算机仿真实验以及实测数据对所提算法的估计性能进行了验证，实验结果表明所提算法可在复杂地形或/和有限样本的背景环境下有效增强米波雷达对目标的定位精度。 4.研究了反射面高度未知情况下以及复杂多径环境下米波MIMO雷达低角目标测高方法。 a.事实上，反射面高度先验信息是影响现有一些米波MIMO雷达在低仰角目标跟踪中对其高度测量性能的一个重要因素，但在实际情况下反射面高度一般是未知且难以事先得到的。针对这个问题，我们在反射面高度未知的情况下提出一种基于缩放字典的米波MIMO雷达测高算法，该算法不依赖反射面高度信息，在同时考虑发射多径和接收多径的情况下，通过构造包含目标参数的自适应字典，以最大化匹配滤波输出的回波数据与字典原子相关系数为估计准则，利用缩放字典逐层逼近的方法交替完成对目标参数的估计和对参数化字典的更新，最终实现了对目标仰角及高度的估计。仿真实验表明了该算法的有效性。 b.当米波MIMO雷达对低仰角目标进行仰角估计时，目标回波中的多径反射可能会引起较大估计误差，特别是在多径反射信息未知的复杂阵地环境下其受多径反射的影响尤为严重。针对这一问题，我们首先建立了复杂地形环境下同时考虑发射多径与接收多径的MIMO雷达信号模型；随后，提出了一种基于秩1约束及稀疏表示的米波MIMO雷达低仰角目标测高算法；最后，通过仿真实验对所提算法的估计性能进行验证，实验结果表明所提算法在简单阵地环境下以及复杂阵地环境下均可有效提高目标定位性能。

目录

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符号对照表

缩略语对照表

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2国内外研究历史与现状

1.3本文的主要工作与内容安排

第二章 米波雷达低仰角测高多径模型与传播机理

2.1引言

2.2 典型的多径信号模型

2.3多径传播机理

2.4几种低角测高技术

2.5本章小结

第三章 基于交替投影的改进MUSIC低仰角测高方法

3.1引言

3.2基于地球曲率的多径传播几何模型

3.3信号模型

3.4基于特征分解与交替投影的低角测高技术

3.5仿真实验以及实测数据处理结果

3.6本章小结

第四章 基于自适应字典的复杂环境下低仰角测高方法

4.1引言

4.2阵列接收多径信号模型

4.3基于自适应字典的低仰角目标测高方法

4.4仿真实验以及实测数据处理结果

4.5本章小结

第五章 基于缩放字典的米波MIMO雷达测高方法

5.1引言

5.2 MIMO雷达多径信号模型

5.3基于缩放字典的MIMO雷达仰角估计算法

5.4仿真实验分析

5.5本章小结

第六章 复杂多径干扰环境下米波MIMO雷达测高方法

6.1引言

6.2 MIMO雷达多径信号模型

6.3基于秩1约束与压缩感知的测高方法

6.4仿真实验分析

6.5本章小结

第七章 总结与展望

7.1工作总结

7.2工作展望

附录 A

附录 B

参考文献

致谢

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