米波雷达低仰角测角中多径效应影响抑制及关键技术研究

摘要

米波雷达由于具有反隐身能力,在对抗反辐射导弹上性能优异而备受关注.然而由于米波频段波长较长,米波雷达天线尺寸较大,受天线尺寸的限制,米波雷达天线的俯仰维主瓣波束较宽,在进行低仰角探测时,直达波与地面反射的多径波通常从天线主波束内进入雷达.受米波雷达天线口径,工作带宽的限制,米波雷达难以从空域,时域和频域内将直达波和地面反射的多径波区分开,多径效应严重影响米波雷达低仰角区域测角精度.米波雷达低仰角测角精度差的问题至今仍是一项重要的挑战. 本文以米波雷达为背景,从半空间米波天线辐射出发,研究抑制地面环境多径效应对米波雷达低仰角的影响策略以及提高米波雷达低仰角区域的测高测角精度的方法,主要内容概括如下: 1.研究了半空间环境对米波天线辐射的影响,然后从天线半空间辐射模型出发,研究分析了抑制多径效应影响的策略.米波天线在半空间中低仰角区域的远场主要由两部分构成:直达波分量与地面反射多径波分量.地面反射多径波分量是造成米波天线图波瓣分裂,上翘,覆盖不连续的主要原因.通过增大天线俯仰维口径可以抑制地面多径效应的影响,但受制于尺寸的限制,在米波频段难以实现较大的俯仰维口径.利用高度分集,频率分集,铺地等措施可以在一定程度上弥补由多径效应造成的探测盲区,但无法从根本上消除多径效应的影响. 2.研究米波雷达低仰角测角模型,并推导分析不同先验信息下低仰角估计的克拉美罗界.多径模型的先验信息也会影响到低仰角算法的测角精度,我们推导了不同先验信息多径模型下低仰角估计的克拉美罗界(Cramér–Rao Bound,CRB),仿真结果表明多径模型的先验信息越多,其CRB值越低,也即对应的低仰角测角算法的测角精度越高.此外,在相同的物理口径下,由于MIMO雷达利用了空间分集,相比于相控阵雷达其具有更低的低仰角估计的CRB. 3.研究了增强的极化平滑低仰角估计算法.由于在较低仰角区域垂直极化与水平极化地面反射系数差异较小,因此极化平滑算法的去相干性能较差,导致低仰角测角精度较差.我们将二次方技术应用到极化平滑算法中,提出了二次方极化平滑算法(Quadratic Polarization Smoothing algorithm,Q-PS),以及结合空间平滑的二次方极化前后空间平滑算法(Quadratic Polarization Smoothing Forward/Backward Space Smoothing algorithm,Q-PS-FB).Q-PS与Q-PS-FB算法能够有效的改善极化平滑算法在低仰角区的去相干能力,进而提算法低仰角区域测测角精度.此外,由于Q-PS-FB算法同时利用了极化平滑与空间平滑,其低仰角区域去相干性能更为优异,因此相比于其他算法其低仰角区域测角精度更高. 4.研究了基于双极化阵列的广义MUSIC算法.为了解决单极化广义MUSIC算法在多径衰减系数相位为±180°时的测角性能差的问题,我们分别基于相控阵和MIMO雷达提出了基于双极化阵列的广义MUSIC算法(Polarization Smoothing Generalized MUSIC,PS-GMUSIC).不同于极化平滑算法其低仰角测角性能依赖于低仰角区域的去相干性能,PS-GMUSIC算法采用复合导向矢量,其不需要进行去相干操作.此外由于垂直极化与水平极化多径衰减系数的差异,PS-GMUSIC算法可以有效地改善单极化广义MUSIC算法在多径衰减系数相位为±180°时的测角性能. 5.根据米波天线半空间辐射模型提出了相位静区的概念,证明了目标在低仰角环境中应用时间反转(Time Reversal,TR)技术的互易条件近似成立,并提出了自适应时间反转聚焦技术(AdaptiveTime Reversal,ATR).虽然半空间中远区场的相位随着位置的不同变化剧烈,但其多径传输函数较为稳定.我们提出了基于多径传输函数的远场相位静区的概念:在相位静区内,多径传输函数的相位变化不超过2°.经过证明,目标在相位静区内应用TR技术的互易性条件近似成立.基于相位静区的概念,我们提出了自适应时间反转聚焦技术,ATR技术根据半空间中目标仰角自适应调整天线馈电相位,使得远区辐射场在目标方向上聚焦,来消除镜面反射多径分量的影响. 6.研究了基于自适应时间反转聚焦的低仰角测角算法.基于半空间远场相位静区的概念,分别基于相控阵和MIMO雷达提出了自适应时间反转MUSIC(Adaptive Time Reversal MUSIC,ATRMUSIC)低仰角测角算法.ATRMUSIC算法通过自适应时间反转矩阵来匹配多径传输函数,不需要进行去相干处理.此外,可通过利用波束域变换技术(Beam Space,BS)降低算法的计算复杂度,同时在一定程度上也可提高算法的角度分辨率.不同于基于相控阵的ATR MUSIC算法,基于MIMO雷达的ATR MUSIC算法需要自适应时间反转匹配矩阵同时匹配收发多径通道响应函数.可通过建立约束条件来避免在角度搜索时匹配因子出现失配的情况.由于ATR-MUSIC算法能够消除镜面反射多径分量的影响,其低仰角测角精度较高.

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究工作的背景及意义

1.2 米波雷达低仰角测角研究现状及挑战

1.3 研究工作的主要内容和创新点

1.4 本文内容结构安排

第二章 地面环境对米波天线辐射特性的影响

2.1 半空间电偶极子辐射

2.1.1 垂直电偶极子

2.1.2 水平电偶极子

2.2 半空间电偶极子方向图

2.2.1 不同地面环境

2.2.2 不同架设高度

2.3 减弱地面影响策略

2.3.1 增大天线俯仰维口径

2.3.2 高度分集

2.3.3 频率分集

2.3.4 铺地

2.4 本章小结

第三章 米波雷达多径模型及其对测角的影响

3.1 低仰角区域多径模型

3.2 米波雷达低仰角测角方法

3.2.1 对称波束单脉冲方法

3.2.2 空间平滑算法

3.2.3 极化平滑算法

3.3.4 广义MUSIC算法

3.3 米波雷达低仰角测角CRB分析

3.3.1 相控阵低仰角估计的CRB

3.3.2 MIMO雷达低仰角估计的CRB

3.4 本章小结

第四章 基于双极化阵列的增强极化平滑算法

4.1 双极化阵列多径接收信号模型

4.2 修正的极化平滑MUSIC算法

4.3 增强极化平滑算法

4.3.1 Q-PS-MUSIC算法

4.3.2 Q-PS-FB-MUSIC算法

4.4 计算机仿真实验分析

4.4.1 双极化阵列CRB分析

4.4.2 包络矩阵条件数分析

4.4.3 算法均方根误差

4.4.4 算法计算复杂度分析

4.5 本章小结

第五章 基于双极化阵列的广义MUSIC算法

5.1.1 相控阵双极化阵列多径模型

5.1.2 PS-GMUSIC算法

5.1.3 计算机仿真实验分析

5.2 MIMO雷达双极化广义MUSIC算法

5.2.1 MIMO双极化多径模型

5.2.2 MIMO PS-GMUSIC算法

5.2.3 计算机仿真实验分析

5.3 本章小结

第六章 半空间低仰角区域自适应时间反转聚焦

6.1 半空间电偶极子远场辐射

6.2 半空间远场相位静区

6.3 自适应时间反转聚焦技术

6.3.1 水平电偶极子

6.3.2 水平电偶极子阵列

6.4 计算机仿真结果及分析

6.4.1 水平电偶极子远场聚焦

6.4.2 水平电偶极子阵列远场聚焦

6.5 本章小结

第七章 基于自适应时间反转技术的低仰角测角算法

7.1.1 相控阵接收多径模型

7.1.2 ATR-MUSIC算法

7.1.3 ATR-BSMUSIC算法

7.1.4 计算机仿真实验分析

7.2 基于MIMO的ATR-MUSIC算法

7.2.1 MIMO收发多径模型

7.2.2MIMO ATR-MUSIC算法

7.2.3MIMO ATR-BSMUSIC算法

7.2.4 计算机仿真实验分析

7.3 本章小结

第八章 全文总结

8.1 全文总结

8.2 讨论

致谢

参考文献

附录

附录A

附录B

附录C

攻读博士学位期间取得的成果