频率分集阵列雷达运动目标检测方法研究

摘要

运动目标检测是雷达系统的重要功能之一，机载/星载雷达下视工作面临严重的地海杂波，空时自适应处理(STAP)通过联合空域和时域信息能够大大改善慢速目标的检测性能，对实现运动目标的连续侦查、监视和跟踪具有重要作用，广泛应用在军用和民用领域。
　　在高速运动雷达平台下，杂波多普勒谱严重扩散导致多普勒多重模糊，需要采用高重复频率雷达体制以降低多普勒模糊程度，然而高重复频率造成严重的距离模糊问题，此时距离模糊杂波抑制成为制约运动目标检测的关键问题。此外，在实际运动目标检测中，由于目标的精确参数通常是未知的，目标的约束导向矢量与其真实导向矢量是失配的，加之实际环境中存在小样本、样本非均匀非平稳以及目标信号污染训练样本等问题，造成传统方法性能的恶化。研究稳健波束形成方法解决实际误差条件下的杂波抑制和运动目标检测对于实际应用至关重要。另外，随着现代电子环境的复杂化，电子干扰手段在实际应用中时有出现，成为对雷达系统运动目标检测的重要威胁，亟需开展雷达系统有效的抗干扰方法以应对实际干扰环境，特别是欺骗式干扰条件下的运动目标检测困难的问题。
　　本论文针对现代复杂电子环境下高速运动平台雷达目标检测所面临的电子干扰、地海杂波距离模糊、目标约束不准确、目标参数估计模糊等问题，充分挖掘雷达系统的空间、时间和频率多维信息，研究基于频率分集阵列(FDA)新体制雷达的运动目标检测信号处理方法，提高实际高速平台雷达系统的抗干扰能力、杂波抑制能力、灵活性以及稳健性。论文围绕国家自然科学基金重点项目“高速平台动目标检测方法研究”、“基于空间平台的空间目标检测、成像与识别方法研究”以及国家自然科学基金重大项目群“基于空间平台的微弱时敏目标协同检测与识别”等科研项目，对高速平台雷达系统运动目标检测进行了系统性研究，内容涵盖杂波与欺骗式干扰同时抑制、距离模糊杂波抑制、稳健波束形成方法以及目标参数无模糊估计，概括如下：
　　1、针对现代电子环境下的复杂干扰抑制，特别是欺骗式干扰抑制问题，提出了基于FDA体制的多输入多输出(MIMO)雷达自适应距离角度二维波束形成方法，能够有效地抑制欺骗式干扰信号，实现真实目标的检测。首先建立了FDA信号模型，分析了FDA-MIMO雷达体制下目标信号在发射-接收二维空间频率域的分布特性，同时研究了存储转发欺骗式干扰信号形成机制，并分析了其在FDA-MIMO雷达体制下与真实目标信号可区分的维度。研究发现，由于FDA提供了信号处理距离维的自由度，真实目标与欺骗式干扰在发射空域频率域是可分的，基于此，提出基于直接数据域的稳健距离角度二维波束形成方法实现欺骗式干扰抑制。实质上，所提方法综合利用了真实目标和欺骗式干扰的距离和角度信息，因此，即便是主瓣方向的欺骗式干扰也能够被有效抑制。
　　2、针对机载雷达运动目标检测面临的地海杂波和干扰抑制问题，提出了FDA体制下的空时距离三维自适应处理(STRAP)方法。利用MIMO虚拟发射孔径技术将发射自由度虚拟到接收端，由于FDA具有距离维可控自由度，STRAP方法能够综合利用空间角度、距离和多普勒三维信息进行自适应杂波和干扰同时抑制。实际上，由于杂波和欺骗式干扰在三维空间中的分布特性不一致，所提方法分两步实现：首先在补偿前数据域基于空间投影方法实现欺骗式干扰抑制，然后在补偿后数据域实现杂波和压制干扰同时抑制。
　　3、针对高速平台雷达运动目标检测面临的距离模糊杂波抑制困难的问题，提出基于俯仰维FDA的STAP雷达距离模糊杂波分离与抑制方法。建立了俯仰维FDA体制下机载雷达回波信号模型，分析了杂波在俯仰频率域的分布特性，相比传统相控阵STAP雷达中杂波的俯仰频率分布特性而言，俯仰FDA体制下的距离模糊杂波在俯仰频率域具有明显的可分性，经过所提的杂波补偿方法处理后，不同距离模糊区域的杂波在俯仰频率域互相分开。所提的STAP预处理方法能够进一步实现距离模糊杂波分离。因而，所提方法能够有效地实现距离模糊杂波分离与抑制。由于不同距离模糊区域的杂波实现了分离，一定程度上克服了杂波的非平稳问题。此外，后续的杂波抑制可并行处理且所提方法同时解决了运动目标参数估计的距离模糊问题。
　　4、针对目标约束不准确以及目标信号污染问题造成STAP处理器目标检测性能恶化的问题，提出了基于幅相联合约束的STAP方法。该方法增加了响应矢量的相位特性，并基于线性滤波器无失真响应特性，推导了相位约束的形式，不仅能够有效地提高目标的输出信杂噪比，具有良好的稳健性，而且能够确保输出的相位响应在空时二维空间的线性特性。考虑在高速前视阵列情况下，通过幅相联合约束的方法能够有效地提高雷达运动目标的检测性能，克服目标约束不准确和目标信号污染训练样本造成STAP性能恶化的问题。
　　5、针对目标约束不准确造成传统波束形成和STAP方法性能下降的问题，提出了一种基于响应矢量优化的稳健波束形成方法。通过对传统线性约束最小方差(LCMV)波束形成器全1约束的一般化，考虑幅度和相位联合约束问题，基于最大化输出信噪比和最大化主瓣响应，建立了响应矢量最优化的目标函数和约束条件。为实现原始非凸优化问题的求解，进一步将约束矢量扩展到高维空间，通过半正定优化技术求得准最优的响应矢量。由于约束矢量的维数很小，所提方法的计算复杂度几乎可以忽略。通过理论分析证明了最优响应矢量的存在性，分析了目标信号污染情况下所提方法的有效性，仿真实验验证了所提方法在波束主瓣保形、旁瓣抑制以及输出信杂噪比上性能的优越性。
　　6、针对高速平台下运动目标参数估计存在的模糊问题，提出了基于FDA体制的MIMO雷达目标距离角度参数联合估计方法。利用FDA阵列的距离维可控自由度，并联合角度自由度，实现了目标距离角度联合估计。为了克服目标参数估计的距离模糊度问题，提出了基于目标主值距离先验信息的补偿方法，并分析了补偿后的目标在发射-接收二维空间中的分布特性，理论分析发现，目标的距离模糊数导致了目标在发射-接收二维空间中的分离特性。所提的目标参数估计方法包含三步：首先利用目标接收空域频率仅依赖于角度的特征估计目标的角度参数，然后在发射-接收二维空间实现目标的距离模糊数估计，最后通过超分辨估计方法提高目标距离参数的估计精度。仿真实验验证了所提方法能够有效地实现目标的无模糊参数估计，并大大提高了目标的距离估计精度。

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缩略语对照表

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2运动平台阵列动目标检测雷达系统与关键问题

1.3阵列雷达动目标检测方法研究现状

1.4本论文的内容与安排

第二章 频率分集阵列MIMO雷达干扰抑制

2.1引言

2.2频率分集阵列雷达模型

2.3频率分集阵列MIMO雷达信号

2.4频率分集阵列MIMO雷达干扰抑制方法及性能分析

2.5实验结果及分析

2.6本章小结

第三章 机载雷达空时距离自适应信号处理方法

3.1引言

3.2机载频率分集阵列雷达信号模型

3.3杂波及干扰的分布特性

3.4杂波和欺骗式干扰同时抑制方法

3.5实验结果及分析

3.6本章小结

第四章 机载频率分集阵列雷达距离模糊杂波抑制方法

4.1引言

4.2俯仰频率分集空时二维信号模型

4.3距离模糊杂波抑制方法

4.4仿真实验与讨论

4.5本章小结

第五章 基于幅相联合约束的稳健空时自适应处理方法

5.1引言

5.2空时二维信号模型

5.3基于幅相联合约束的稳健空时自适应处理方法

5.4高速平台前视阵空时处理应用分析

5.5实验结果及分析

5.6本章小结

第六章 响应矢量约束的稳健LCMV方法

6.1引言

6.2信号模型与问题描述

6.3响应矢量约束的稳健处理方法

6.4性能分析与讨论

6.5实验结果与分析

6.6本章小结

第七章 频率分集阵列雷达目标参数解模糊方法

7.1引言

7.2共址频率分集MIMO雷达信号模型

7.3无模糊距离角度联合估计方法

7.4参数估计性能分析

7.5仿真实验与分析

7.6本章小结

第八章 总结和展望

8.1研究结论

8.2研究展望

参考文献

致谢

作者简介