天基雷达环境仿真与动目标检测技术研究

论文摘要

天基雷达（SBR）是正在研制的新一代雷达系统,它可为军事和民用服务。军事领域的应用包括广域监视、威胁防御和裁军使用。民用领域包括遥感、空中交通管制、空间探索和司法行动。SBR的核心优势是广阔的视野和全球性的覆盖。这种覆盖之广,超越了政治、战略或地理等因素的限制,相对于陆基和机载雷达有很大的优越性。文中围绕天基监视雷达的动目标检测课题,主要讨论环境信号仿真和空-时自适应处理的有关问题。文中首先讨论天基雷达的环境因素,包括需要检测目标的RCS指标、噪声影响、衰减因素、电离层对雷达波造成的畸变、陆地和气象杂波、干扰信号,并在此基础上,讨论天基雷达的一些系统问题,包括雷达的观测区域、功率孔径积、波形设计、卫星轨道设计和成本因素,进而着重讨论了地球自转因素和距离重叠效应对目标多普勒频移的影响,以及相控阵天线热变形对天线模式的影响。为了评估空-时自适应处理算法应用于天基雷达系统的效果,需要对地杂波图景进行高逼真度的仿真。文中首先根据特定地区的地表覆盖物数据、地形数据和雷达工作参数构建该地区的地表反射特性瞬态图景。然后根据距离重叠、地球自转效应和天基雷达的阵列模式,实现反射特性图景与雷达信号处理算法的交互。最后根据Billingsley提出的谱模型,仿真杂波内部运动效应。为了模拟脉内线性调频、脉间频率捷变体制下的地海杂波,在利用距离多普勒网格法计算常规PD（Pulse-Doppler）雷达地海杂波功率谱的基础上,从脉内子脉冲叠加的观点分析线性调频信号对常规雷达杂波功率谱和幅度分布特性的影响,进而分析频率捷变所引起的脉间相关性减弱和时间随机序列方差的减小。得出的结论有:线性调频-频率捷变体制雷达杂波的功率谱与对应常规雷达的形状基本吻合,而幅值的变化与脉压比成正比;该体制雷达的杂波随机序列渐进的服从瑞利分布,杂波随机序列的方差变化由主瓣中心杂波功率谱密度的比值确定。为了实现天基雷达杂波消除、高分辨率的角度估计和广域监视功能,文中采用三通道相位中心偏置天线（DPCA）/monopulse（单脉冲）信号处理系统。天基雷达的运动和地球自转,使得地球上每一点的杂波都产生了附加的多普勒成分——距离游走效应。文中从天基雷达-地球几何关系的角度分析距离游走效应。距离游走与距离重叠效应相结合,显著的降低DPCA处理算法的杂波抑制性能。文中针对距离游走效应在相干处理阶段进行反向补偿、在非相干积累阶段采用线性内插的方法进行校正,针对距离重叠效应采用波形分集技术进行校正。文中探讨了知识辅助的信号处理架构,该架构着重考虑了系统的实时性、兼容性和可扩展性,要实现的功能包括储存知识、访问知识、将知识整合入信号处理链和雷达系统体制。文中从杂波的空-时描述的角度出发,得到杂波协方差矩阵模型,该模型可以表示成两部分之和,一部分体现了回波区域的异质性,另一部分则体现出杂波内部运动和天线单元失配等微小误差的影响。根据杂波协方差矩阵模型,文中讨论了两种知识辅助的天基雷达信号处理方法。第一种基于期望值最大化方法,首先根据先前CPI多维数据和先验知识,采用最小平方误差准则,得到杂波反射特性地图。然后结合该地图和先验知识,计算当前CPI的杂波协方差矩阵。为了增强算法健壮性,针对杂波内部运动等微小或未知误差,用EM（Expectation-Maximization）算法估计修正矩阵。第二种基于有色载入方法,它同样首先根据先前CPI立体数据和先验知识,对杂波区域分块定位。并根据最大似然估计准则,估计各杂波块回波强度。对杂波回波强度进行归一化,并在多个CPI上取平均,得到杂波反射特性地图。结合该地图和先验知识,计算当前CPI的杂波协方差修正矩阵,将该修正矩阵有色载入当前CPI的杂波协方差矩阵。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 英文缩写对照表
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 天基预警与雷达系统
• 1.1.2 天基雷达动目标检测（MTI）技术
• 1.1.2.1 降维空时自适应处理技术
• 1.1.2.2 有限样本条件下的算法
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 杂波非均匀现象
• 1.2.2 SAR 图像与知识辅助的信号处理
• 1.2.3 遥感数据与知识辅助的信号处理
• 1.3 本文的主要工作
• 1.4 本文的主要创新点
• 第二章 天基雷达的环境与系统分析
• 2.1 天基监视雷达的环境因素
• 2.1.1 目标
• 2.1.2 噪声
• 2.1.3 衰减
• 2.1.4 电离层
• 2.1.5 杂波
• 2.1.6 干扰
• 2.2 天基监视雷达的系统问题
• 2.2.1 观测区域
• 2.2.2 功率和孔径
• 2.2.3 波形
• 2.2.4 卫星轨道
• 2.2.5 成本
• 2.3 地球自转效应
• 2.4 距离模糊效应
• 2.5 相控阵天线机械变形
• 2.5.1 平面相控阵天线基本原理
• 2.5.2 幅度加权
• 2.5.3 天线阵面热变形
• 第三章 天基雷达杂波环境仿真
• 3.1 地面RCS 地图
• 3.1.1 标准大地测量学坐标系与ECEF 坐标系之间的转换
• 3.1.2 雷达坐标系（距离和多普勒）与ECEF 坐标系之间的转换
• 3.1.3 韦布尔参数
• 3.2 杂波协方差矩阵
• 3.2.1 空-时杂波协方差矩阵
• 3.2.2 杂波内部运动
• 3.3 天基雷达天线增益模式
• 3.4 天基雷达杂波仿真实例
• 3.5 脉冲压缩和捷变频体制对雷达杂波特性的影响
• 3.5.1 线性调频—捷变频体制对杂波功率谱的影响
• 3.5.2 线性调频—捷变频体制对杂波幅度分布的影响
• 3.5.3 仿真实例
• 第四章 偏置相位中心天线与单脉冲测角
• 4.1 系统架构与波形设计
• 4.2 PRF 校正
• 4.3 频率校正
• 4.4 脉冲压缩与波形正交化
• 4.5 ASAR DPCA
• 4.6 非相干积累
• 4.7 单脉冲比
• 4.8 仿真实验
• 第五章 先验知识应用和雷达信号处理
• 5.1 知识辅助的实时雷达信号处理架构
• 5.1.1 知识辅助的信号处理
• 5.1.2 知识的格式与表示
• 5.2 地杂波和噪声式干扰的空-时描述
• 5.3 协方差矩阵模型
• 5.4 先前CPI 数据与地面反射特性
• 第六章 期望值最大化方法和有色载入技术
• 6.1 期望值最大化算法
• 6.1.1 最大似然方法
• 6.1.2 期望值最大化方法
• 6.1.3 EM 算法收敛性
• 6.1.4 EM 算法在 STAP 算法中的应用
• 6.2 有色载入技术
• 6.2.1 滤波器约束条件
• 6.2.2 局部化训练
• 6.2.3 有色载入技术在 STAP 算法中的应用
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文的工作总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文