【摘要】：高頻電磁波具有沿導(dǎo)電海面?zhèn)鞑ニp小的特點,高頻地波雷達利用這一特點可以實現(xiàn)海洋表面的超視距探測。目前高頻地波雷達主要采用岸基模式,實現(xiàn)沿岸區(qū)域的海面、低空目標(biāo)及海洋表面狀態(tài)探測。由于電磁波的距離衰減,岸基雷達難以滿足遠(yuǎn)海區(qū)域的探測需求。浮標(biāo)式高頻地波雷達正是解決這一難題的有效途徑,利用海面大型浮標(biāo)及鉆井平臺作為雷達載體,可以實現(xiàn)平臺周邊海域的大范圍監(jiān)測。同時,浮標(biāo)式高頻地波雷達可以作為探測節(jié)點,與岸基雷達共同組成高頻雷達網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化探測。本文基于國家863計劃海洋領(lǐng)域“十二五”重大課題專項“浮標(biāo)式高頻地波雷達系統(tǒng)研制”,從以下幾個方面展開：浮標(biāo)雷達信號建模、瞬態(tài)干擾抑制、海面回波譜建模和仿真、運動補償,主要內(nèi)容包括如下幾方面： 1)介紹了浮標(biāo)式高頻地波雷達的系統(tǒng)組成及其信號處理。除了岸基地波雷達中的收發(fā)系統(tǒng)之外,浮標(biāo)雷達還包括浮標(biāo)平臺子系統(tǒng),為整個雷達的運行提供必要的保障。浮標(biāo)雷達的信號處理流程與岸基雷達相同,但浮標(biāo)運動導(dǎo)致平臺與散射元之間的距離擾動,利用兩次FFT處理機制對此擾動進行了分析,該擾動不會對距離變換產(chǎn)生影響,但會造成每個距離元的回波相位污染,當(dāng)浮標(biāo)運動超過一定條件時,將會造成回波多普勒搬移和展寬。從陣列信號的基本數(shù)學(xué)模型出發(fā),建立了浮標(biāo)雷達的陣列信號模型,并分析了浮標(biāo)運動對數(shù)字波束形成和超分辨空間譜估計算法MUSIC(Multiple Signal Classification)的影響。 2)瞬態(tài)干擾是浮標(biāo)式高頻地波雷達的主要外部干擾類型之一,造成雷達回波譜噪聲基底抬高,信噪比下降,影響雷達探測結(jié)果。針對瞬態(tài)干擾抑制問題,首先給出了干擾抑制的總體框架：信號預(yù)處理-干擾檢測／抑制-信號恢復(fù)。在干擾檢測和抑制部分,利用小波分解對干擾進行檢測,并提出了一種基于S變換的瞬態(tài)干擾檢測方法,該方法充分利用瞬態(tài)干擾持續(xù)時間短、多普勒擴展強的特點,避免了信號預(yù)處理中的海洋回波抑制步驟；在信號恢復(fù)部分,分別利用AR模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)海洋回波的預(yù)測與恢復(fù)。利用實測數(shù)據(jù)對經(jīng)典方法(小波分解-AR預(yù)測)和所提方法(S變換-BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測)進行了測試和分析,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,海洋回波信號的能量損失更小,同時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)自身的運動狀態(tài),岸基雷達回波譜模型不再適用于浮標(biāo)式高頻地波雷達。首先給出了岸基雷達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)了平臺運動條件下的一、二階散射系數(shù)。平臺運動主要表征為兩類：線性運動,即浮標(biāo)平臺在海面風(fēng)和海流作用下的水平運動,用勻速運動表示；非線性運動,即浮標(biāo)平臺在橫浪的作用下產(chǎn)生的橫蕩運動,用正弦函數(shù)表示。利用該散射系數(shù)對浮標(biāo)式高頻地波雷達海洋回波多普勒譜進行了數(shù)值仿真。然后重點討論和分析了不同風(fēng)速、風(fēng)向、工作頻率對回波譜的影響。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自由度運動對浮標(biāo)雷達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)可以實時的對陣列誤差進行校正。結(jié)果表明,當(dāng)傳感器參數(shù)存在誤差時,會給校正結(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,校正后誤差因子小于0.1。針對回波相位污染問題,研究了基于運動參數(shù)的相位補償算法,相位梯度法PGA,最大似然估計法MLE,并提出了基于S變換的瞬時頻率估計法ST。利用實測和仿真數(shù)據(jù)對這幾種算法進行了測試,結(jié)果表明經(jīng)過相位補償后,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)類型和參數(shù)條件下各個方法的性能。
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【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TN957.51

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本文編號：2318459