【摘要】：高頻電磁波具有沿導(dǎo)電海面?zhèn)鞑ニp小的特點(diǎn),高頻地波雷達(dá)利用這一特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)海洋表面的超視距探測(cè)。目前高頻地波雷達(dá)主要采用岸基模式,實(shí)現(xiàn)沿岸區(qū)域的海面、低空目標(biāo)及海洋表面狀態(tài)探測(cè)。由于電磁波的距離衰減,岸基雷達(dá)難以滿(mǎn)足遠(yuǎn)海區(qū)域的探測(cè)需求。浮標(biāo)式高頻地波雷達(dá)正是解決這一難題的有效途徑,利用海面大型浮標(biāo)及鉆井平臺(tái)作為雷達(dá)載體,可以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)周邊海域的大范圍監(jiān)測(cè)。同時(shí),浮標(biāo)式高頻地波雷達(dá)可以作為探測(cè)節(jié)點(diǎn),與岸基雷達(dá)共同組成高頻雷達(dá)網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化探測(cè)。本文基于國(guó)家863計(jì)劃海洋領(lǐng)域“十二五”重大課題專(zhuān)項(xiàng)“浮標(biāo)式高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)研制”,從以下幾個(gè)方面展開(kāi)：浮標(biāo)雷達(dá)信號(hào)建模、瞬態(tài)干擾抑制、海面回波譜建模和仿真、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償,主要內(nèi)容包括如下幾方面： 1)介紹了浮標(biāo)式高頻地波雷達(dá)的系統(tǒng)組成及其信號(hào)處理。除了岸基地波雷達(dá)中的收發(fā)系統(tǒng)之外,浮標(biāo)雷達(dá)還包括浮標(biāo)平臺(tái)子系統(tǒng),為整個(gè)雷達(dá)的運(yùn)行提供必要的保障。浮標(biāo)雷達(dá)的信號(hào)處理流程與岸基雷達(dá)相同,但浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致平臺(tái)與散射元之間的距離擾動(dòng),利用兩次FFT處理機(jī)制對(duì)此擾動(dòng)進(jìn)行了分析,該擾動(dòng)不會(huì)對(duì)距離變換產(chǎn)生影響,但會(huì)造成每個(gè)距離元的回波相位污染,當(dāng)浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)超過(guò)一定條件時(shí),將會(huì)造成回波多普勒搬移和展寬。從陣列信號(hào)的基本數(shù)學(xué)模型出發(fā),建立了浮標(biāo)雷達(dá)的陣列信號(hào)模型,并分析了浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)對(duì)數(shù)字波束形成和超分辨空間譜估計(jì)算法MUSIC(Multiple Signal Classification)的影響。 2)瞬態(tài)干擾是浮標(biāo)式高頻地波雷達(dá)的主要外部干擾類(lèi)型之一,造成雷達(dá)回波譜噪聲基底抬高,信噪比下降,影響雷達(dá)探測(cè)結(jié)果。針對(duì)瞬態(tài)干擾抑制問(wèn)題,首先給出了干擾抑制的總體框架：信號(hào)預(yù)處理-干擾檢測(cè)／抑制-信號(hào)恢復(fù)。在干擾檢測(cè)和抑制部分,利用小波分解對(duì)干擾進(jìn)行檢測(cè),并提出了一種基于S變換的瞬態(tài)干擾檢測(cè)方法,該方法充分利用瞬態(tài)干擾持續(xù)時(shí)間短、多普勒擴(kuò)展強(qiáng)的特點(diǎn),避免了信號(hào)預(yù)處理中的海洋回波抑制步驟；在信號(hào)恢復(fù)部分,分別利用AR模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)海洋回波的預(yù)測(cè)與恢復(fù)。利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)經(jīng)典方法(小波分解-AR預(yù)測(cè))和所提方法(S變換-BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè))進(jìn)行了測(cè)試和分析,結(jié)果證明了方法的有效性,處理后多普勒信噪比改善5-15dB。與經(jīng)典方法相比,本文中提出的S變換-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法信噪比改善更加明顯,海洋回波信號(hào)的能量損失更小,同時(shí)避免了海洋回波抑制步驟。 3)海面散射系數(shù)即海面散射截面方程是描述海洋回波特征的主要方法之一,由于浮標(biāo)自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),岸基雷達(dá)回波譜模型不再適用于浮標(biāo)式高頻地波雷達(dá)。首先給出了岸基雷達(dá)的海面后向散射系數(shù)的推導(dǎo)方法,在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了平臺(tái)運(yùn)動(dòng)條件下的一、二階散射系數(shù)。平臺(tái)運(yùn)動(dòng)主要表征為兩類(lèi)：線性運(yùn)動(dòng),即浮標(biāo)平臺(tái)在海面風(fēng)和海流作用下的水平運(yùn)動(dòng),用勻速運(yùn)動(dòng)表示；非線性運(yùn)動(dòng),即浮標(biāo)平臺(tái)在橫浪的作用下產(chǎn)生的橫蕩運(yùn)動(dòng),用正弦函數(shù)表示。利用該散射系數(shù)對(duì)浮標(biāo)式高頻地波雷達(dá)海洋回波多普勒譜進(jìn)行了數(shù)值仿真。然后重點(diǎn)討論和分析了不同風(fēng)速、風(fēng)向、工作頻率對(duì)回波譜的影響。最后以窄波束散射系數(shù)為基礎(chǔ),利用波束細(xì)分法導(dǎo)出了寬波束雷達(dá)的一二階散射模型,給出了寬波束回波譜的仿真結(jié)果。 4)浮標(biāo)6自由度運(yùn)動(dòng)對(duì)浮標(biāo)雷達(dá)回波的影響可以分為陣列誤差和回波相位污染兩部分。陣列誤差是時(shí)變的,并且可以用浮標(biāo)姿態(tài)參數(shù)解析表示,利用姿態(tài)參數(shù)可以實(shí)時(shí)的對(duì)陣列誤差進(jìn)行校正。結(jié)果表明,當(dāng)傳感器參數(shù)存在誤差時(shí),會(huì)給校正結(jié)果引入誤差,常規(guī)波束形成后,該誤差僅與橫搖、縱搖誤差相關(guān),10%誤差條件下,當(dāng)橫搖縱搖角小于30。時(shí),校正后誤差因子小于0.1。針對(duì)回波相位污染問(wèn)題,研究了基于運(yùn)動(dòng)參數(shù)的相位補(bǔ)償算法,相位梯度法PGA,最大似然估計(jì)法MLE,并提出了基于S變換的瞬時(shí)頻率估計(jì)法ST。利用實(shí)測(cè)和仿真數(shù)據(jù)對(duì)這幾種算法進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果表明經(jīng)過(guò)相位補(bǔ)償后,回波相位污染得到改善,一階峰被銳化,并仿真分析了不同信噪比、相位污染函數(shù)類(lèi)型和參數(shù)條件下各個(gè)方法的性能。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：TN957.51

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2318459