【摘要】：米波雷達(dá)由于具有反隱身能力,在對(duì)抗反輻射導(dǎo)彈上性能優(yōu)異而備受關(guān)注。然而由于米波頻段波長較長,米波雷達(dá)天線尺寸較大,受天線尺寸的限制,米波雷達(dá)天線的俯仰維主瓣波束較寬,在進(jìn)行低仰角探測(cè)時(shí),直達(dá)波與地面反射的多徑波通常從天線主波束內(nèi)進(jìn)入雷達(dá)。受米波雷達(dá)天線口徑,工作帶寬的限制,米波雷達(dá)難以從空域,時(shí)域和頻域內(nèi)將直達(dá)波和地面反射的多徑波區(qū)分開,多徑效應(yīng)嚴(yán)重影響米波雷達(dá)低仰角區(qū)域測(cè)角精度。米波雷達(dá)低仰角測(cè)角精度差的問題至今仍是一項(xiàng)重要的挑戰(zhàn)。本文以米波雷達(dá)為背景,從半空間米波天線輻射出發(fā),研究抑制地面環(huán)境多徑效應(yīng)對(duì)米波雷達(dá)低仰角的影響策略以及提高米波雷達(dá)低仰角區(qū)域的測(cè)高測(cè)角精度的方法,主要內(nèi)容概括如下:1.研究了半空間環(huán)境對(duì)米波天線輻射的影響,然后從天線半空間輻射模型出發(fā),研究分析了抑制多徑效應(yīng)影響的策略。米波天線在半空間中低仰角區(qū)域的遠(yuǎn)場(chǎng)主要由兩部分構(gòu)成:直達(dá)波分量與地面反射多徑波分量。地面反射多徑波分量是造成米波天線圖波瓣分裂,上翹,覆蓋不連續(xù)的主要原因。通過增大天線俯仰維口徑可以抑制地面多徑效應(yīng)的影響,但受制于尺寸的限制,在米波頻段難以實(shí)現(xiàn)較大的俯仰維口徑。利用高度分集,頻率分集,鋪地等措施可以在一定程度上彌補(bǔ)由多徑效應(yīng)造成的探測(cè)盲區(qū),但無法從根本上消除多徑效應(yīng)的影響。2.研究米波雷達(dá)低仰角測(cè)角模型,并推導(dǎo)分析不同先驗(yàn)信息下低仰角估計(jì)的克拉美羅界。多徑模型的先驗(yàn)信息也會(huì)影響到低仰角算法的測(cè)角精度,我們推導(dǎo)了不同先驗(yàn)信息多徑模型下低仰角估計(jì)的克拉美羅界(Cramér Rao Bound,CRB),仿真結(jié)果表明多徑模型的先驗(yàn)信息越多,其CRB值越低,也即對(duì)應(yīng)的低仰角測(cè)角算法的測(cè)角精度越高。此外,在相同的物理口徑下,由于MIMO雷達(dá)利用了空間分集,相比于相控陣?yán)走_(dá)其具有更低的低仰角估計(jì)的CRB。3.研究了增強(qiáng)的極化平滑低仰角估計(jì)算法。由于在較低仰角區(qū)域垂直極化與水平極化地面反射系數(shù)差異較小,因此極化平滑算法的去相干性能較差,導(dǎo)致低仰角測(cè)角精度較差。我們將二次方技術(shù)應(yīng)用到極化平滑算法中,提出了二次方極化平滑算法(Quadratic Polarization Smoothing algorithm,Q-PS),以及結(jié)合空間平滑的二次方極化前后空間平滑算法(Quadratic Polarization Smoothing Forward/Backward Space Smoothing algorithm,Q-PS-FB)。Q-PS與Q-PS-FB算法能夠有效的改善極化平滑算法在低仰角區(qū)的去相干能力,進(jìn)而提算法低仰角區(qū)域測(cè)測(cè)角精度。此外,由于Q-PS-FB算法同時(shí)利用了極化平滑與空間平滑,其低仰角區(qū)域去相干性能更為優(yōu)異,因此相比于其他算法其低仰角區(qū)域測(cè)角精度更高。4.研究了基于雙極化陣列的廣義MUSIC算法。為了解決單極化廣義MUSIC算法在多徑衰減系數(shù)相位為?180?時(shí)的測(cè)角性能差的問題,我們分別基于相控陣和MIMO雷達(dá)提出了基于雙極化陣列的廣義MUSIC算法(Polarization Smoothing Generalized MUSIC,PS-GMUSIC)。不同于極化平滑算法其低仰角測(cè)角性能依賴于低仰角區(qū)域的去相干性能,PS-GMUSIC算法采用復(fù)合導(dǎo)向矢量,其不需要進(jìn)行去相干操作。此外由于垂直極化與水平極化多徑衰減系數(shù)的差異,PS-GMUSIC算法可以有效地改善單極化廣義MUSIC算法在多徑衰減系數(shù)相位為?180?時(shí)的測(cè)角性能。5.根據(jù)米波天線半空間輻射模型提出了相位靜區(qū)的概念,證明了目標(biāo)在低仰角環(huán)境中應(yīng)用時(shí)間反轉(zhuǎn)(Time Reversal,TR)技術(shù)的互易條件近似成立,并提出了自適應(yīng)時(shí)間反轉(zhuǎn)聚焦技術(shù)(Adaptive Time Reversal,ATR)。雖然半空間中遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的相位隨著位置的不同變化劇烈,但其多徑傳輸函數(shù)較為穩(wěn)定。我們提出了基于多徑傳輸函數(shù)的遠(yuǎn)場(chǎng)相位靜區(qū)的概念:在相位靜區(qū)內(nèi),多徑傳輸函數(shù)的相位變化不超過2?。經(jīng)過證明,目標(biāo)在相位靜區(qū)內(nèi)應(yīng)用TR技術(shù)的互易性條件近似成立�；谙辔混o區(qū)的概念,我們提出了自適應(yīng)時(shí)間反轉(zhuǎn)聚焦技術(shù),ATR技術(shù)根據(jù)半空間中目標(biāo)仰角自適應(yīng)調(diào)整天線饋電相位,使得遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)在目標(biāo)方向上聚焦,來消除鏡面反射多徑分量的影響。6.研究了基于自適應(yīng)時(shí)間反轉(zhuǎn)聚焦的低仰角測(cè)角算法。基于半空間遠(yuǎn)場(chǎng)相位靜區(qū)的概念,分別基于相控陣和MIMO雷達(dá)提出了自適應(yīng)時(shí)間反轉(zhuǎn)MUSIC(Adaptive Time Reversal MUSIC,ATR MUSIC)低仰角測(cè)角算法。ATR MUSIC算法通過自適應(yīng)時(shí)間反轉(zhuǎn)矩陣來匹配多徑傳輸函數(shù),不需要進(jìn)行去相干處理。此外,可通過利用波束域變換技術(shù)(Beam Space,BS)降低算法的計(jì)算復(fù)雜度,同時(shí)在一定程度上也可提高算法的角度分辨率。不同于基于相控陣的ATR MUSIC算法,基于MIMO雷達(dá)的ATR MUSIC算法需要自適應(yīng)時(shí)間反轉(zhuǎn)匹配矩陣同時(shí)匹配收發(fā)多徑通道響應(yīng)函數(shù)�？赏ㄟ^建立約束條件來避免在角度搜索時(shí)匹配因子出現(xiàn)失配的情況。由于ATR-MUSIC算法能夠消除鏡面反射多徑分量的影響,其低仰角測(cè)角精度較高。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN95
【圖文】：

給雷達(dá)的生存造成很大的威脅，雷達(dá)反隱身和低空探測(cè)技術(shù)越來越受到重視。如圖1-1 所示，采用外形及涂覆材料的隱身戰(zhàn)機(jī)，在微波頻段其雷達(dá)散射截面積（RadarCross Section，RCS）較低進(jìn)而實(shí)現(xiàn)雷達(dá) RCS 隱身，常規(guī)微波頻段雷達(dá)很難探測(cè)到隱身目標(biāo)。(a) (b)圖 1-1 采用外形及涂覆材料的隱身戰(zhàn)機(jī)。(a)B2；(b)F35米波雷達(dá)工作頻率在30~ 300 MHz 的甚高頻（Very High Frequency，VHF）內(nèi)，其波長為1 10 m。由于米波雷達(dá)工作波長與隱身目標(biāo)尺寸相當(dāng)，目標(biāo)在米波頻段的 RCS 位于諧振區(qū)，常規(guī)外形隱身，涂覆材料隱身在此頻段失效[1-2]。如圖 1-2 所示典型目標(biāo) RCS 隨頻率變化示意圖[3]

電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文俯仰維需要較大的天線口徑，受天線實(shí)際尺寸的限制，米波雷達(dá)在到較大的口徑。在地面半空間環(huán)境中，由于米波雷達(dá)主波束較寬，目標(biāo)時(shí)，俯仰維波束會(huì)“打地”，接收信號(hào)中有較強(qiáng)的地面反射波信信號(hào)與直達(dá)波信號(hào)是一組強(qiáng)相關(guān)信號(hào)，在低仰角區(qū)域，直達(dá)波信號(hào)信號(hào)通常在一個(gè)波束寬度內(nèi)。受制于米波天線口徑和帶寬的限制，從空域，時(shí)域和頻域內(nèi)將直達(dá)波信號(hào)和地面反射波信號(hào)區(qū)分開，地應(yīng)嚴(yán)重影響米波雷達(dá)在低仰角區(qū)域的測(cè)高測(cè)角性能。此外，由于地與直達(dá)波具有強(qiáng)相干性，在一些角度上直達(dá)波與地面反射波同相疊，而在一些角度上直達(dá)波與地面反射波反相對(duì)消，形成谷值，因此角區(qū)域天線方向圖發(fā)生波瓣分裂，波瓣抬升，方向圖畸變，形成雷造成雷達(dá)空域覆蓋不連續(xù)現(xiàn)象。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2716504