无源雷达信号处理与数据处理关键问题研究

摘要

无源雷达不主动发射电磁波而是利用空间中已经存在的电磁信号作为机会照射源对潜在的目标进行探测与跟踪，这种体制的雷达造价低、体积小、机动灵活、操作隐蔽、无电磁污染以及具有抗隐身目标的潜力，因此无源雷达得到了越来越多国内外研究人员的关注。本文对无源雷达信号处理与数据处理中的若干关键问题进行了研究，包括模糊函数分析，到达角(DOA)估计，八单元均匀圆阵天线(8-UCA)在无源雷达中的应用，以及无源多基地雷达中目标跟踪问题研究。本文的主要内容与贡献可概括为如下四方面：
　　1.研究了Inmarsat与Iridium卫星信号模糊函数。无源雷达使用的机会照射源通常为广播与通信信号，这些信号并不是专门为了雷达的目的而设计，因此在引进一种新的机会照射源之前首先要考察其模糊函数。本文对Inmarsat与Iridium卫星信号的模糊函数进行了分析，首先对 Inmarsat与Iridium卫星系统进行了介绍，根据两种卫星信号的协议对信号的模糊函数进行了理论推导，根据理论推导的结果对两种卫星信号的模糊函数进行了详细地分析，并通过仿真与实测数据对分析的结果进行了验证。
　　2.研究了无源雷达目标DOA估计问题。无源雷达通常包含两个通道，其中一个称为参考通道用于接收机会照射源的直达信号；另外一个通道叫做目标通道用于接收目标回波。无源雷达目标回波通常很弱，需要经过杂波相消与距离多普勒处理来提高目标的信杂比，目标的 DOA估计也是在距离多普勒处理之后进行的。传统的 DOA估计方法认为参考通道中不包含目标回波，或者目标回波可以被忽略。然而由本文的分析可知，参考通道中的目标回波对目标的DOA估计会产生很大的影响。当参考信号中含有目标回波时，在杂波相消过程中参考信号中的目标回波将混入相消结果中，与目标通道中的目标回波共同参与后续的距离多普勒处理，将极大程度地影响距离多普勒处理结果的形式。传统的无源雷达DOA方法没有考虑参考信号中目标回波的影响，因此其信号模型与真实情况并不匹配，从而导致测角精度迅速恶化。本文详细分析了参考信号中含有目标回波对DOA估计的影响，给出了一种新的信号模型，并据此提出了改进的DOA估计方法，仿真与实测结果证明了改进方法的有效性。
　　3.研究了八单元均匀圆阵天线在无源雷达中的应用。八单元均匀圆阵天线是一种典型的小孔径均匀圆阵天线，该天线轻便灵活，所形成的波束宽度适中，不存在方向模糊性，而且不同指向的波束没有增益损失，在无源雷达系统中具有很大的应用潜力。本文将八单元均匀圆阵天线应用在无源雷达中，对应用过程中存在的几个问题进行了研究。首先考察基于八单元均匀圆阵天线的低副瓣多波束形成问题，常规波束形成方法形成的波束具有较高副瓣电平，本文采用方向图综合技术来获取低副瓣波束，本文产生多个波束用于覆盖整个空域，其中一个波束用于获取参考信号，其他波束用于对目标进行扫描。接着研究了无源雷达中基于八单元均匀圆阵天线的比幅测角方法，构建了基本信号模型，并对参考信号中含有目标回波的情况进行了考察。最后考察了八单元均匀圆阵天线阵子之间的互耦合效应，提出了一种基于压缩感知的互耦合校正方法。
　　4.研究了无源多基地雷达中的目标跟踪问题。雷达探测的一个重要目的是确定目标的位置并对目标的运动轨迹进行估计，本文对无源多基地雷达中的目标跟踪问题进行了研究，提出了一种综合航迹处理方法，将目标航迹划分为四种状态，即起始航迹、试验航迹、确认航迹以及消亡航迹，为每一种航迹设计了一种状态转移规则。与此同时本文详细介绍了两种航迹维持算法，即并行多传感器联合概率数据关联(P-MS-JPDA)算法，与顺序MS-JPDA(S-MS-JPDA)算法。本文通过充分的仿真详细分析了所提出方法的性能。最后本文将所提出的方法应用于真实的无源多基地雷达系统，实测结果进一步验证了本文所提出方法的有效性。

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第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2无源雷达技术国内外研究进展

1.3无源雷达信号处理流程

1.4本文主要工作及内容安排

第二章 Inmarsat I-4与Iridium卫星信号模糊函数分析

2.1引言

2.2卫星信号协议介绍

2.3卫星信号模糊函数推导

2.4仿真分析与实测结果

2.5本章小结

第三章 无源雷达DOA估计方法

3.1引言

3.2信号模型

3.3单目标DOA估计方法

3.4多目标DOA估计方法

3.5仿真分析

3.6实测结果

3.7本章小结

第四章 八单元均匀圆阵天线在无源雷达中的应用

4.1引言

4.2八单元均匀圆阵天线低副瓣多波束形成

4.3无源雷达中基于八单元均匀圆阵天线的DOA估计方法

4.4八单元均匀圆阵天线互耦合校正

4.5本章小结

第五章 无源多基地雷达系统中目标跟踪问题研究

5.1引言

5.2无源多基地雷达目标跟踪问题描述

5.3综合航迹处理方法

5.4 MS-JPDA算法

5.5仿真分析

5.6实测结果

5.7本章小结

第六章 总结与展望

6.1本文工作总结

6.2工作展望

参考文献

致谢

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