【摘要】：利用垂直極化的電磁波可沿海洋表面繞射傳播的特點(diǎn),高頻地波雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋表面環(huán)境大范圍、超視距、實(shí)時(shí)地觀測(cè),不僅能夠獲取海洋表面風(fēng)、浪、流等動(dòng)力學(xué)參數(shù),還能對(duì)海面和低空飛行目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)與跟蹤。根據(jù)天線(xiàn)形式不同,高頻地波雷達(dá)主要分為陣列式和便攜式兩種,前者采用相控陣天線(xiàn),具有口徑大、波束窄、角分辨力高的特點(diǎn)；后者采用小型化天線(xiàn),典型代表是CODAR公司研制的SeaSonde系統(tǒng),其特點(diǎn)是體積小,便于安裝和維護(hù),雖然不像陣列式系統(tǒng)具有很窄的波束,但是通過(guò)超分辨算法同樣可以獲得較高的角分辨能力。在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域,二者均得到了廣泛應(yīng)用,然而這兩種體制的雷達(dá)也同時(shí)存在以下問(wèn)題：1)不同海況下浪高測(cè)量的精度有待提高。高海況時(shí),雷達(dá)回波二階譜容易飽和,無(wú)法與一階譜分離,會(huì)導(dǎo)致海浪測(cè)量的精度下降；低海況時(shí),由于電磁波與海浪作用不充分,二階譜能量很弱,容易被噪聲淹沒(méi),同樣會(huì)影響海浪的測(cè)量精度；2)海洋回波與硬目標(biāo)回波重疊時(shí),不僅影響目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè),還會(huì)影響海洋動(dòng)力學(xué)參數(shù)的提��；3)高頻段惡劣的環(huán)境干擾會(huì)同時(shí)對(duì)海洋動(dòng)力學(xué)參數(shù)和目標(biāo)的探測(cè)造成消極影響；4)試驗(yàn)環(huán)境的地形、地勢(shì)及附近的干擾物均會(huì)造成天線(xiàn)方向圖畸變,導(dǎo)致方位角估計(jì)誤差增大,給天線(xiàn)的選址帶來(lái)了極大限制。針對(duì)上述問(wèn)題,本文在便攜式雷達(dá)的基礎(chǔ)上,重新設(shè)計(jì)了一套能雙頻工作的全數(shù)字高頻雷達(dá)系統(tǒng),重點(diǎn)研究了雙頻浪高反演的方法,分析了環(huán)境對(duì)交叉環(huán)／單極子天線(xiàn)方向特性的影響,并提出了一種僅利用交叉環(huán)進(jìn)行方位估計(jì)的方法。本文的研究工作具體包括以下方面：1)提出了雙頻全數(shù)字高頻雷達(dá)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案和框架結(jié)構(gòu),包括雙頻發(fā)射天線(xiàn)、接收天線(xiàn)和雙頻全數(shù)字接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)方案。與單頻天線(xiàn)相比,雙頻天線(xiàn)在體積上沒(méi)有改變,只通過(guò)調(diào)整部分結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn),其工作效率也與單頻幾乎完全一致。系統(tǒng)采用FMICW工作體制,工作頻率分別設(shè)定在4-6MHz和12-14MHz頻段范圍。2)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一套雙頻全數(shù)字高頻雷達(dá)接收機(jī),包括硬件模塊電路、信號(hào)處理流程和系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),并形成了工程化的原理樣機(jī)。與傳統(tǒng)中頻數(shù)字接收機(jī)相比,全數(shù)字接收機(jī)采用射頻直接采樣、數(shù)字混頻、數(shù)字脈沖壓縮技術(shù),省去了模擬混頻電路、中頻濾波器、本振信號(hào)產(chǎn)生電路,大大簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu),而且降低了模擬器件的缺陷對(duì)接收機(jī)通道指標(biāo)的限制,例如靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、不同幀之間的相位一致性等。3)比較了分時(shí)雙頻和同時(shí)雙頻兩種方案的性能,當(dāng)兩個(gè)頻率最大探測(cè)距離的比值大于3時(shí),分時(shí)雙頻的性能更優(yōu)。本文采用分時(shí)雙頻波形,并給出了波形參數(shù)設(shè)計(jì)的方法及實(shí)例；結(jié)合同步控制時(shí)序,展示了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸與狀態(tài)參數(shù)控制的方法,并簡(jiǎn)要介紹了系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)與功能；另外,在上述硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上,擴(kuò)展了噪聲實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)選頻的功能。4)通過(guò)測(cè)試環(huán)境對(duì)交叉環(huán)／單極子天線(xiàn)方向特性的影響,發(fā)現(xiàn)如果用兩個(gè)環(huán)的模值對(duì)兩個(gè)環(huán)進(jìn)行歸一化,可以消除由于畸變帶來(lái)的方位估計(jì)影響。在此基礎(chǔ)上,提出了一種只利用兩個(gè)環(huán)天線(xiàn)進(jìn)行方位估計(jì)的方法。與傳統(tǒng)的交叉環(huán)／單極子處理方法相比,該方法的應(yīng)用不依賴(lài)天線(xiàn)的架設(shè)環(huán)境,而且不需要測(cè)試天線(xiàn)實(shí)際方向圖,同時(shí)節(jié)省了接收機(jī)通道。5)從海浪對(duì)電磁波的一階、二階散射機(jī)理出發(fā),推導(dǎo)了Barrick經(jīng)典浪高反演方法,并分析了該方法的局限性,最后提出了利用雙頻融合來(lái)突破上述限制的方法,從而獲得大尺度海浪探測(cè)的能力。該方法通過(guò)綜合兩個(gè)頻率海洋回波譜的特性得到不同的加權(quán)值,將兩個(gè)頻率反演得到的浪高進(jìn)行加權(quán),不僅提高了浪高探測(cè)的范圍,增加了探測(cè)的距離,還增強(qiáng)了抗干擾的能力。在完成雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制作的基礎(chǔ)上,本文分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室閉環(huán)測(cè)試和海邊現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果表明,系統(tǒng)的靈敏度為-135dBm,動(dòng)態(tài)范圍大于100dB,通道隔離度大于60dB；在連續(xù)4.6分鐘的相干積累時(shí)間內(nèi),不同掃頻幀之間的幅度差異小于0,005dB,相位差異小于0.01°；在45℃恒溫環(huán)境、超過(guò)40個(gè)小時(shí)的測(cè)試時(shí)間內(nèi),接收機(jī)工作正常,且內(nèi)部電路與環(huán)境之間的最高溫差為13℃,完全滿(mǎn)足實(shí)際工作要求�，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到的回波譜、徑向流、浪高結(jié)果也驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù),還分別驗(yàn)證了本文提出的交叉環(huán)方位角估計(jì)方法和雙頻浪高反演方法的正確性和有效性,為提高浪高測(cè)量精度和克服環(huán)境對(duì)天線(xiàn)方向特性的影響提供了良好的解決方法。
【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】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TN959.72;P715.9

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