【摘要】：米波雷達由于具有反隱身能力,在對抗反輻射導彈上性能優(yōu)異而備受關注。然而由于米波頻段波長較長,米波雷達天線尺寸較大,受天線尺寸的限制,米波雷達天線的俯仰維主瓣波束較寬,在進行低仰角探測時,直達波與地面反射的多徑波通常從天線主波束內(nèi)進入雷達。受米波雷達天線口徑,工作帶寬的限制,米波雷達難以從空域,時域和頻域內(nèi)將直達波和地面反射的多徑波區(qū)分開,多徑效應嚴重影響米波雷達低仰角區(qū)域測角精度。米波雷達低仰角測角精度差的問題至今仍是一項重要的挑戰(zhàn)。本文以米波雷達為背景,從半空間米波天線輻射出發(fā),研究抑制地面環(huán)境多徑效應對米波雷達低仰角的影響策略以及提高米波雷達低仰角區(qū)域的測高測角精度的方法,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影響的策略。米波天線在半空間中低仰角區(qū)域的遠場主要由兩部分構成:直達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的影響,但受制于尺寸的限制,在米波頻段難以實現(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由多徑效應造成的探測盲區(qū),但無法從根本上消除多徑效應的影響。2.研究米波雷達低仰角測角模型,并推導分析不同先驗信息下低仰角估計的克拉美羅界。多徑模型的先驗信息也會影響到低仰角算法的測角精度,我們推導了不同先驗信息多徑模型下低仰角估計的克拉美羅界(Cramér Rao Bound,CRB),仿真結果表明多徑模型的先驗信息越多,其CRB值越低,也即對應的低仰角測角算法的測角精度越高。此外,在相同的物理口徑下,由于MIMO雷達利用了空間分集,相比于相控陣雷達其具有更低的低仰角估計的CRB。3.研究了增強的極化平滑低仰角估計算法。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,導致低仰角測角精度較差。我們將二次方技術應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,進而提算法低仰角區(qū)域測測角精度。此外,由于Q-PS-FB算法同時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?時的測角性能差的問題,我們分別基于相控陣和MIMO雷達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算法采用復合導向矢量,其不需要進行去相干操作。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?時的測角性能。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,證明了目標在低仰角環(huán)境中應用時間反轉(zhuǎn)(Time Reversal,TR)技術的互易條件近似成立,并提出了自適應時間反轉(zhuǎn)聚焦技術(Adaptive Time Reversal,ATR)。雖然半空間中遠區(qū)場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)的遠場相位靜區(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,目標在相位靜區(qū)內(nèi)應用TR技術的互易性條件近似成立。基于相位靜區(qū)的概念,我們提出了自適應時間反轉(zhuǎn)聚焦技術,ATR技術根據(jù)半空間中目標仰角自適應調(diào)整天線饋電相位,使得遠區(qū)輻射場在目標方向上聚焦,來消除鏡面反射多徑分量的影響。6.研究了基于自適應時間反轉(zhuǎn)聚焦的低仰角測角算法。基于半空間遠場相位靜區(qū)的概念,分別基于相控陣和MIMO雷達提出了自適應時間反轉(zhuǎn)MUSIC(Adaptive Time Reversal MUSIC,ATR MUSIC)低仰角測角算法。ATR MUSIC算法通過自適應時間反轉(zhuǎn)矩陣來匹配多徑傳輸函數(shù),不需要進行去相干處理。此外,可通過利用波束域變換技術(Beam Space,BS)降低算法的計算復雜度,同時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雷達的ATR MUSIC算法需要自適應時間反轉(zhuǎn)匹配矩陣同時匹配收發(fā)多徑通道響應函數(shù)�？赏ㄟ^建立約束條件來避免在角度搜索時匹配因子出現(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,其低仰角測角精度較高。
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN95
【圖文】：

給雷達的生存造成很大的威脅，雷達反隱身和低空探測技術越來越受到重視。如圖1-1 所示，采用外形及涂覆材料的隱身戰(zhàn)機，在微波頻段其雷達散射截面積（RadarCross Section，RCS）較低進而實現(xiàn)雷達 RCS 隱身，常規(guī)微波頻段雷達很難探測到隱身目標。(a) (b)圖 1-1 采用外形及涂覆材料的隱身戰(zhàn)機。(a)B2；(b)F35米波雷達工作頻率在30~ 300 MHz 的甚高頻（Very High Frequency，VHF）內(nèi)，其波長為1 10 m。由于米波雷達工作波長與隱身目標尺寸相當，目標在米波頻段的 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 RCS 隨頻率變化示意圖[3]

電子科技大學博士學位論文俯仰維需要較大的天線口徑，受天線實際尺寸的限制，米波雷達在到較大的口徑。在地面半空間環(huán)境中，由于米波雷達主波束較寬，目標時，俯仰維波束會“打地”，接收信號中有較強的地面反射波信信號與直達波信號是一組強相關信號，在低仰角區(qū)域，直達波信號信號通常在一個波束寬度內(nèi)。受制于米波天線口徑和帶寬的限制，從空域，時域和頻域內(nèi)將直達波信號和地面反射波信號區(qū)分開，地應嚴重影響米波雷達在低仰角區(qū)域的測高測角性能。此外，由于地與直達波具有強相干性，在一些角度上直達波與地面反射波同相疊，而在一些角度上直達波與地面反射波反相對消，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，形成雷造成雷達空域覆蓋不連續(xù)現(xiàn)象。

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

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本文編號：2716504