一種mimo天波超視距雷達(dá)信號處理方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種MIMO天波超視距雷達(dá)信號處理方法。本發(fā)明提出通過利用MIMO-OTHR在分辨目標(biāo)多徑回波的優(yōu)勢，在MIMO-OTHR信號處理端對目標(biāo)多徑回波進(jìn)行分離，以此得到目標(biāo)多徑量測與其傳播路徑的關(guān)聯(lián)關(guān)系，擁有了多徑量測與傳播路徑的關(guān)聯(lián)關(guān)系將大大簡化OTHR數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜度。經(jīng)過MIMO-OTHR對多徑回波進(jìn)行分離后的數(shù)據(jù)處理與傳統(tǒng)OTHR相比，其計(jì)算量將極大減少，并且二者在精度上并無明顯差異。
【專利說明】一種ΜΙΜΟ天波超視距雷達(dá)信號處理方法 【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于天波超視距雷達(dá)的信號處理方法，尤其是一種多輸入多輸出 體制下的天波超視距雷達(dá)的信號處理方法。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 超視距雷達(dá)（Over-the-horizon radar :0THR)，是一種能克服視距帶來的探測距 離限制，能探測到視距以下超遠(yuǎn)距離目標(biāo)的雷達(dá)。按信號傳播路徑的不同，0THR可分為天 波0THR和地波0THR。其中天波0THR的信號通過電離層的反射照射到視距以下目標(biāo)，并通 過電離層的二次反射返回天波0THR的接收端從而探測視距以下目標(biāo)的。由于超視距雷達(dá) 能探測到視距以下目標(biāo)的特點(diǎn)，因此其作用距離長，覆蓋面積大，在軍事上具有重要的早期 預(yù)警作用，近來受到各國軍事學(xué)家的普遍重視。
[0003] 天波0THR利用電離層探測地平線以下的遠(yuǎn)距離目標(biāo)，但電離層的復(fù)雜特性和天 波0THR特殊的工作方式使得天波0THR的信號處理與數(shù)據(jù)處理面臨許多亟待解決的問題。 電離層引起的多徑、多模效應(yīng)嚴(yán)重降低了天波0THR的工作性能。因此為了進(jìn)一步提高和改 善天波0THR的工作性能，必須研究如何去除電離層引起的多徑、多模效應(yīng)。同時由于多徑、 多?；夭ǖ膹?fù)雜性，使得去電離層多徑、多模效應(yīng)成為天波0THR雷達(dá)系統(tǒng)工程研究的難點(diǎn) 和重點(diǎn)。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0004] 基于以上問題，本發(fā)明提出了：
[0005] -種ΜΜ0天波超視距雷達(dá)信號處理方法，其特征在于包括步驟：
[0006] A設(shè)置雷達(dá)陣列為二維陣列，并且在俯仰方向上采用最小冗余線陣的布陣方式；
[0007] B設(shè)置其發(fā)射波形集為時域錯位線性調(diào)頻連續(xù)波，或者為頻域錯位線性調(diào)頻連續(xù) 波；
[0008] C對發(fā)射接收聯(lián)合波束根據(jù)傳播模式進(jìn)行多徑分離；
[0009] D對每種傳播模式的信號進(jìn)行距離多普勒處理；
[0010] E對每種傳播模式的信號進(jìn)行信號量測處理；
[0011] F根據(jù)每種傳播模式和信號量測的對應(yīng)關(guān)系，采用PDA算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處里；
[0012] G獲得目標(biāo)航跡；
[0013] 其中所述信號量測處理包括：
[0014] E1對波束離開角進(jìn)行估計(jì)；
[0015] E2對接收信號進(jìn)行波束形成處理，獲得接收波束的指向方向；
[0016] E3對發(fā)射信號進(jìn)行匹配濾波以分離發(fā)射波形集中的每個波形；
[0017] E4對波束到達(dá)角進(jìn)行估計(jì)；
[0018] E5對發(fā)射信號進(jìn)行波束形成處理，獲得發(fā)射波束的指向方向；
[0019] E6提取目標(biāo)的距離信息；
[0020] E7對多個回波周期，經(jīng)過上述匹配濾波與波束形成處理后，進(jìn)行慢時間的多普勒 處理，得到目標(biāo)的多普勒偏移即運(yùn)動速度。
[0021] 如上所述的方法，其中時域錯位線性調(diào)頻連續(xù)波的錯位方式是線性調(diào)頻連續(xù)波的 起始時刻在一個波形重復(fù)間隔內(nèi)均勻分布。
[0022] 如上所述的方法，其中頻域錯位線性調(diào)頻連續(xù)波的錯位方式是線性調(diào)頻連續(xù)波的 每個波形的初始多普勒頻率在波形重復(fù)頻率內(nèi)均勻分布。
[0023] 如上所述的方法，其中發(fā)射波形集根據(jù)此前測得的目標(biāo)運(yùn)動速度進(jìn)行切換，在速 度低于預(yù)定閾值時選擇時域錯位線性調(diào)頻連續(xù)波，在速度高于預(yù)定閾值時選擇頻域錯位線 性調(diào)頻連續(xù)波。
[0024] 如上所述的方法，其中傳播模式包括：EE模式、EF模式、FE模式和FF模式。 【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0025] 圖1為本發(fā)明提出的信號處理方法的示意圖 【【具體實(shí)施方式】】
[0026] 由于電離層的分層特性，0THR發(fā)射信號可能在電離層的不同分層發(fā)生反射，形成 多條雷達(dá)到目標(biāo)的傳播路徑，導(dǎo)致雷達(dá)接收端接收到多個對應(yīng)于同一目標(biāo)的回波，這就是 所謂的多路徑效應(yīng)。多路徑效應(yīng)導(dǎo)致0THR信號處理過程中產(chǎn)生虛假目標(biāo)，嚴(yán)重影響其性 能。考慮到多徑回波在俯仰方向上具有不同的DoD(波束離開角）或DoA(波束到達(dá)角）， 一般采用自適應(yīng)波束形成來濾除多徑回波。傳統(tǒng)0THR由于其相控陣體制特性，不能形成 有效的發(fā)射波束，因此難以消除多徑回波帶來的影響。比如假設(shè)0THR發(fā)射信號可能在電 離層E層和F層發(fā)生反射，并且只存在單跳的情況，則同一目標(biāo)在接收端可能產(chǎn)生4個回 波。將這4個回波分別稱之為EE模式、EF模式、FE模式和FF模式（EF模式表示發(fā)射信號 在E層反射到達(dá)目標(biāo)，后向散射回波在F層反射到達(dá)雷達(dá)接收端，其余類似），假設(shè)去除多 徑效應(yīng)目標(biāo)是保留EE模式，濾除其余3個模式。傳統(tǒng)0THR只能在接收端形成自適應(yīng)波束， 從而濾除與EE模式DoA不同的EF和FF模式。對于發(fā)射波束形成，由于0THR接收端與發(fā) 射端分置，將訓(xùn)練數(shù)據(jù)從接收端發(fā)送到發(fā)射端具有一定延遲，而電離層又具有時變特性，因 此不能有效的形成發(fā)射波束，難以濾除FE模式。而ΜΜ0雷達(dá)具有靈活的波束形成能力，在 接收端即能形成接收波束，還能形成發(fā)射波束。在雷達(dá)接收端形成發(fā)射波束被稱為"非因 果"(non-causal)發(fā)射波束形成，因?yàn)槠浒l(fā)射波束是在信號發(fā)射、到達(dá)目標(biāo)和返回到接收端 后進(jìn)行的。由于ΜΙΜΟ雷達(dá)的"非因果"發(fā)射波束形成特性，將其應(yīng)用到0THR中能很好的消 除多徑效應(yīng)帶來的影響，因此基于Μ頂0體制的0THR相對于傳統(tǒng)0THR具有更好的多徑效應(yīng) 抑制能力。
[0027] 除了多徑效應(yīng)以外，另一類嚴(yán)重影響傳統(tǒng)0THR性能的干擾便是擴(kuò)展雜波。前文已 述，0THR由于其特有的下視工作方式使其回波中含有強(qiáng)大的海地雜波。在0THR運(yùn)行環(huán)境 中，當(dāng)雜波在不穩(wěn)定的電離層分層（比如F層）反射到達(dá)接收端時，該雜波由于經(jīng)過不穩(wěn)定 電離層的相位污染，便形成而來擴(kuò)展雜波。當(dāng)該雜波的雷達(dá)距離（群延時）與目標(biāo)回波的 雷達(dá)距離落在同一距離單元時（目標(biāo)回波經(jīng)過較穩(wěn)定的電離層分層反射，比如Ε層），目標(biāo) 回波可能被擴(kuò)展雜波遮蔽。經(jīng)過F層反射的回波受到嚴(yán)重的電離層相位污染，反應(yīng)在多普 勒頻率域上則是頻譜展寬，因此經(jīng)過該層反射的雜波稱為"擴(kuò)展雜波"。這意味著對任意距 離單元，都可能觀測到穩(wěn)定的目標(biāo)EE模式和不穩(wěn)定的擴(kuò)展雜波EF模式、FE模式和FF模式， 稱之為"多模效應(yīng)"。通常情況下，多模效應(yīng)產(chǎn)生的多種模式是由不同地理位置的地面散射 產(chǎn)生的，這與多徑效應(yīng)是由同一位置的地面（即同一目標(biāo)）散射產(chǎn)生的不同。因此多模效 應(yīng)中的多模也在俯仰方向上具有不同的DoD或DoA，這是由于電離層分層之間有足夠大的 高度差距（E層高度大約100km，F(xiàn)層大約220km)。但是，EE模式和EF模式在俯仰方向的 DoD，或者EF模式和FF模式在俯仰方向的DoA，由于有著相似的幾何傳播路徑，幾乎沒有差 另^。單靠發(fā)射波束或者接收波束無法完全分辨這些多模傳播模式，只有將MMO雷達(dá)技術(shù)應(yīng) 用到0THR中，才能使0THR同時具有有效的發(fā)射波束形成和接收波束形成，有效濾除由于多 模效應(yīng)和電離層污染帶來的擴(kuò)展雜波的影響。
[0028] 另一個傳統(tǒng)0THR無法回避的難題是回波的俯仰角與其所處的雷達(dá)距離具有依賴 性（range-dependent)。這是由于電離層具有分層特性，同一俯仰方向上的回波可能來自 不同的雷達(dá)距離，這就要求雷達(dá)能在不同的雷達(dá)距離單元做不同的自適應(yīng)波束形成以區(qū)別 這些回波。而傳統(tǒng)0THR的發(fā)射波束幾乎不可能做到這一點(diǎn)，ΜΜ0雷達(dá)由于特有的"非因 果"發(fā)射波束形成能有效地在不同距離單元做不同的發(fā)射波束形成，因此這也是將ΜΙΜ0雷 達(dá)技術(shù)應(yīng)用到0THR的動機(jī)之一。
[0029] 雖然相對于傳統(tǒng)0THR，基于ΜΜ0體制的0THR具有更好的消除多徑效應(yīng)、多模效應(yīng) 和擴(kuò)展雜波的能力，但其實(shí)現(xiàn)還存在諸多的問題，其中一個首要的問題便是發(fā)射天線陣列 和接收天線陣列的布陣方式問題。由于0THR工作在高頻段，相應(yīng)的發(fā)射接收天線可達(dá)上百 米，天線造價較貴，因此傳統(tǒng)0THR的發(fā)射陣列和接收陣列一般采用均勻線性陣列，只對不 同方位向的區(qū)域進(jìn)行掃描。并且陣元個數(shù)較少，一般發(fā)射陣列陣元個數(shù)在十個左右。因此， 傳統(tǒng)0THR采用的均勻線性陣列由于只在方位向具有孔徑，不能將其直接應(yīng)用到基于ΜΙΜ0 體制的0THR的天線陣列中。
[0030] 為了保證來自不同俯仰方向的多模多徑干擾與來自不同方位向的干擾能同時被 消除，基于Μ頂0體制的0THR的陣列必須在俯仰和方位向上都具有陣列孔徑，為此，其陣列 必須采用二維陣列。
[0031] 另一個MM0-0THR布陣必須考慮的問題是陣列在俯仰方向必須要有較大的孔徑。 這是因?yàn)?THR探測的目標(biāo)通常都處在上千公里以外，遠(yuǎn)大于電離層高度，目標(biāo)回波通過電 離層反射后都擁有很大的俯角，并且多徑回波之間的俯角比較接近，需要陣列波束圖在大 俯角情況下有很窄的主瓣寬度，才能分辨出這些多徑回波?？紤]一般的情況，假設(shè)目標(biāo)與 0THR相距1000km，電離層Ε層高度100km，F(xiàn)層高度200km，則從Ε層反射和從F層反射的 回波其俯角分別為
[0032]
【權(quán)利要求】
1. 一種MMO天波超視距雷達(dá)信號處理方法，其特征在于包括步驟： A設(shè)置雷達(dá)陣列為二維陣列，并且在俯仰方向上采用最小冗余線陣的布陣方式； B設(shè)置其發(fā)射波形集為時域錯位線性調(diào)頻連續(xù)波，或者為頻域錯位線性調(diào)頻連續(xù)波； C對發(fā)射接收聯(lián)合波束根據(jù)傳播模式進(jìn)行多徑分離； D對每種傳播模式的信號進(jìn)行距離多普勒處理； E對每種傳播模式的信號進(jìn)行信號量測處理； F根據(jù)每種傳播模式和信號量測的對應(yīng)關(guān)系，采用PDA算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處里； G獲得目標(biāo)航跡； 其中所述信號量測處理包括： E1對波束離開角進(jìn)行估計(jì)； E2對接收信號進(jìn)行波束形成處理，獲得接收波束的指向方向； E3對發(fā)射信號進(jìn)行匹配濾波以分離發(fā)射波形集中的每個波形； E4對波束到達(dá)角進(jìn)行估計(jì)； E5對發(fā)射信號進(jìn)行波束形成處理，獲得發(fā)射波束的指向方向； E6提取目標(biāo)的距離信息； E7對多個回波周期，經(jīng)過上述匹配濾波與波束形成處理后，進(jìn)行慢時間的多普勒處理， 得到目標(biāo)的多普勒偏移即運(yùn)動速度。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中時域錯位線性調(diào)頻連續(xù)波的錯位方式是線性調(diào)頻連 續(xù)波的起始時刻在一個波形重復(fù)間隔內(nèi)均勻分布。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中頻域錯位線性調(diào)頻連續(xù)波的錯位方式是線性調(diào)頻連 續(xù)波的每個波形的初始多普勒頻率在波形重復(fù)頻率內(nèi)均勻分布。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中發(fā)射波形集根據(jù)此前測得的目標(biāo)運(yùn)動速度進(jìn)行切 換，在速度低于預(yù)定閾值時選擇時域錯位線性調(diào)頻連續(xù)波，在速度高于預(yù)定閾值時選擇頻 域錯位線性調(diào)頻連續(xù)波。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中傳播模式包括：EE模式、EF模式、FE模式和FF模式。
【文檔編號】G01S7/41GK104267389SQ201410597924
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月30日
【發(fā)明者】羅楊 申請人:電子科技大學(xué)