（信息与通信工程专业论文）机载pd雷达动目标检测技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 机载p d 雷达杂波建模和动目标检测是机载雷达信号处理中的关键技术，目前，机载 p d 雷达有完善的上视功能，但它下视功能仅具备在某些距离段内发现目标的能力，在主 瓣杂波或副瓣杂波区域内，若目标谱线被地杂波谱覆盖，常规方法很难将目标信号从杂波 中分离出来。因此，机载p d 雷达动目标检测一直是雷达界研究的重点和难点，研究机载 p d 雷达动目标检测技术具有十分重要的现实意义。本文结合机载p d 雷达的作战背景，研 究了机载p d 雷达杂波建模和动目标检测相关技术。 首先阐述了本文研究的背景需求与意义，介绍了国内外在机载p d 雷达动目标检测方 面的研究现状，并给出了本文结构。 然后研究了杂波功能级和信号级建模仿真方法。首先分析了机载p d 雷达所面临的杂 波环境及杂波特征，对常用的杂波统计模型进行了归纳和分析；接着对杂波进行了信号级 建模，给出了相应模型；最后通过仿真得到机载p d 雷达在低、中、高重频工作模式下的 杂波及杂波频谱图，验证了三种工作模式下的杂波在距离维、频率维的模糊情况，得出主 瓣杂波、旁瓣杂波、高度线杂波的位置、幅度以及宽度与相关参数的关系。 在生成了杂波数据的基础上，研究了机载p d 雷达动目标检测一维和二维处理技术。 在研究机载p d 雷达动目标检测一维处理方法中，分析了m t i 、a m t i 、m t d 的工作原理 和结构，提出了变采样率动目标检测算法，详细阐述了该算法的原理和实现方法，并结合 机载p d 雷达作战背景给出了仿真结果。结果表明，该算法能够在强杂波环境下检测出动 目标，算法实现简单，效果好，易于工程实现。 在分析机载p d 雷达动目标检测二维处理方法的同时，着重研究了基于d p c a 的机载 p d 雷达动目标检测方法。针对d p c a 检测对速度精确测量的要求，研究了i n s g p s 组合 导航系统速度测量技术。最后给出了d p c a 检测的仿真结果，结果表明，d p c a 检测性能 较m t d 好，能够检测低速动目标，且载机速度测量精度越高，d p c a 检测性能越好。 最后对全文进行总结，归纳论文的主要工作和研究成果，探讨了后继研究的方向。 主题词：机载p d 雷达；动目标检测；杂波模型；变采样率；相位中心偏置天线；组 合导航； 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a bs t r a c t t h em o d e l i n go f c l u t t e 事a n dd e t e c t i o no fm o v i n gt a r g e t8 1 04 h ek e yt e c h n i q u e sf o rt h e a i r b o r n ep u l s e 面p p i c rr a d a r , a tp r e s e n t ，t h ea i r b o r n ep u l s ed o p p l e rr a d a rh a sm a t u r i t yf u n c t i o n w h e nl o o k i n gu p w a r d b mi t c a no n l yd i s c o v e rt a r g e ta t5 d m ed i s t a n c ew h e nl o o k i n gd o w n w a r d ： a tt h er a n g eo ft l 托m a i n t o b eo rs i d e l o b e ，i ft h es p e c t r u mo ft h et a r g e ti sc o v e r e db yt h es p e c t r u m o ft h ec l u 断, i ti sd i f l i c u l t 钯d e t e c tt h et a r g e tb yu s i n gt h eu s u a t m e t h o 由t h ed e t e c t i o no f m o v i n gu u r g e tt o tt h ea i r b o r n ep u l s ed o 卯l e rr a d a ri sa l w a y st h ek e yt e c h n i q u ea n dap u z z l ef o r u s t tm a k e ss e n s et oi n v e s ti nt h i sp r o b l e m s oa o m i l 鸦t ot h ew a r f a r eb a c k g r o u n do ft h e a i r b o r n ep u l s ed o p p l e rr a d a r , t h i st h e s i sd ot h er e s e a r c ho i lt h em o d d i n go fc l u t t e ra n dt h e d e t e c t i o no fm o v i n gt a r g e t t h ec o n e r e t ec o n t e n t sa r es h o w nf o l l o w e d t h e r ea r ef i v ec h a p t e r s 证t h i st h e s i s 1 1 蟛c o n t e n to fe a c hc h a p t e rw i l lb es u m m a r i z e dn e x t o n eb y o n e t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h i sr e s e a r c hi sb r i e f l ys p e c i f i e di nc h a p t e r1 c u r r e n t r e s e a r c h e so l at h em o v i n gt a r g e td e t e c t i o nf o rt h ea i r b o r n ep u l s ed o p p l e r ，r a d a ri no u rc o n l 蚵a n d 、a b r o a d 晰a n a l y z e di nd e t a i l t ks l r u c t u r eo ft h i st h e s i si sg i v e ni nt h i sc h a p t e r t h es t a t i s t i cm o d e la n ds i g n a ll e v e lm o d e la a n a l y 嬲li nc h a p t e r2 n i i sc h a p t 铭a n a l y z e d t h ec l u t t e ra 矗i t sc h a r a c t e r i s l i c sf o rt h ea i r b o m ep u l s ed o p p l 鳃r a d a ra tf i r s t t h e ni ts u m o du p a n da n a l y z e dt h es t a t i s t i cm o d do f 姥c l u t t e r n e x tt h i sc h a p t e rm o d e l e dt h ec l u t t e ri nd e t a i la n d g a v e 瓣c 锯c l 哦e dm o d e l s 礴曲姗t i m e f i n n y 避w q u i 擘e dt h ec l u t t e ra n di 招印呦 w h e nr a d a rw o r k i n gi nt l u e et y p 铀o fm e & b ys i m u l a t i o n a n da n a l y z e dt h el o c a t i o n , w i d t h , a n d a m p l i t u d eo f t h em a i n l o b ea n d c ：a i d e l o b e t h eo n e - d i m e n s i o n a lp r 0 9 e a s i n gm e t h o d so fm o v i n gt a r g e td e t e c t i o na r ea n a z y z , di nc h a p t e 董 3w h i c hi n c l u d e dm t i ，a m l l , m t d t h i s 曲a p t e ra n a l y z e d - t h el 施, i n c i p l ea n ds t r u g t u 犯o ft h e s e m e t h o d s i lp r o p o s e dam o v i n gt a r g e td e t e c t i o na l g o r i t h ma n di n 舡o d u c e dt h ep r i n c i p l ea n ds t e p s o ft h ea l g o r i t h m a c c o r d i n g 幻t h ew a r f a r eb a c k g r o u n do ft h e 氆i r b o m ep u l s ed o p p l 舒麟虹i t g a v et h es i m u l a t i o nr e 靴l t sw h i c hd e m o n s t r a t e dt h ee f f e c t i v e n e s sa n dh i g he f f i c i e n c ye ft h e p r o p o s e da l g o r i t h m t h et w o - d i m e n s i o n a lp r o c e s s i n gm e t h o d so fm o v i n gt a r g e td 匆t e c t i o na r ea i l a l y z e di n c h a p t e r4 w h i l ed p c am c t h o di sa n a b ：z o d , i nd e t a i l a st h e 口e c u r c c yo fv e l o c i t yn m 嫩羽h i c m ti s i m p o r t a n tt ot h ep e r f o r m a n c eo f d p c a ，t h i sc h a p t e ra n a l y z e dt h ev e l o c i t ym e a s t t r e m e n ta c c u r a c y w h e nu s i n gt h ei n s g p si n t e g r e t e dn a v i g a t i o ns y s t e mt om e a s u r et h ea i l 】班m ev e l o c i t y f i n a 蹬yi t g a v et h es i m u l a t i o nr e s u l t si nt h ec a d o f , t h i sc h a p t e rw h i c hs h o w e dt h a tt h ep e r f o r m a n c eo f d p c ai sb e t t e rt h a nt h ep 9 r f - d i 脚a n o fm t d i tc a td e t e c tt i ms t o wm o v i n gt a r g e t t h e 硼。蹲 a c c u r a t et h ev e l o c i t ym e a s u r e m e n t , t h eb e t t e rt h ed p c a p e r f o n n a n c e i o i nc o n c l u s i o n ，c h a p t e r5s u m m a r i z e d 。t h ew h o l ed i s s e r t a t i o n 、p a r t i c u l a r l yi nt h em a i nw o r k 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a n di n n o v a t i o nf a c e t s ，a n dt h e no f f e r e ds e v e r a ls u g g e s t i o n sf o rt h es u c c e e d i n gr e s e a r c h k e yw o r d s a i r b o r n ep u l s ed o p p l e rr a d a r ；m o v i n gt a r g e td e t e c t i o n ；c l u t t e rm o d e l ； c h a n g e a b l es a m p l i n g ；d i s p l a c e dp h a s ec e n t e ra n t e n n a ( d p c a ) ；i n t e g r a t e dn a v i g a t i o n ； 第：i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图2 2 1瑞利分布的概率密度曲线9 图2 2 2 指数分布的概率密度曲线9 图2 2 3 对数正态分布的概率密度随尺度参数“变化关系曲线1 0 图2 2 4 对数正态分布的概率密度随形状参数。变化关系曲线1 0 图2 2 5 韦布尔分布的概率密度随尺度参数q 变化关系曲线1 l 图2 2 6 韦布尔分布的概率密度随形状参数p 变化关系曲线1 l 图2 2 7k 分布的概率密度随尺度参数a 变化关系曲线1 3 图2 2 8k 分布的概率密度随形状参数v 变化关系曲线1 3 图2 2 9g a m m a 分布曲线图( 胪1 ) 1 3 图2 2 1 0g a m m a 分布曲线图( v - 2 ) 。1 4 图2 3 1 地海面散射单元划分方法图1 6 图2 3 2 散射系数与角度之间的关系曲线图1 8 图2 4 1 低重频下的杂波三维图和频谱图2 l 图2 4 2中重频工作模式下的杂波频谱图2 2 图2 4 3 高重频工作模式下的杂波频谱图2 3 图3 2 1 一次对消器。2 5 图3 2 2 二次对消器2 5 图3 2 3 对消器统一结构图2 5 图3 2 4 对消器的幅度频率响应曲线2 6 图3 2 5a m t i 处理结构框图2 7 图3 2 6m t d 信号处理方框图2 8 图3 4 1 目标信号与地杂波仿真处理频谱图。3 3 图3 4 2m t d 、变采样率动目标检测结果图3 6 图4 2 1d p c a 原理示意图3 9 图4 2 2 二单元实现a d p c a 的示意图。4 0 图4 2 3 多天线相位中心d p c a 4 1 图4 2 4 多阵列d p c a 系统4 l 图4 2 5 正侧视真空时杂波谱示意图4 3 图4 2 6 空时自适应处理原理框图4 4 图4 3 1飞机与目标几何关系图。4 5 图4 3 2d p c a 双天线几何关系图4 7 图4 4 1i n s g p s 组合导航系统的结构框图5 2 图4 4 2 高低精度惯导速度测量误差曲线5 4 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 。4 3i n s g p s 组合导航速度测量误差曲线5 4 图4 5 1机载p d 雷达中重频模式下的杂波三维图鲻 图4 5 2目标所在距离门的杂波频谱图5 6 图4 5 3 雷达接收信号经m t d 后的检测结果图5 7 图4 5 4 雷达接收信号经d p c a 后的检测结果图5 9 图4 5 5d p c a 检测性能与速度精度、信杂比之闯的关系。6 t 第页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 3 1 海况、风级、浪高之间的关系1 9 表2 4 1 机载p d 雷达地杂波仿真相关参数“。2 l 表3 4 1 机载p d 雷达变采样率动目标检测相关参数3 s 表4 3 1d p c a 工作模式比较4 6 表4 5 1 机载p d 雷达d p c a 动目标检测相关参数。舄 第1 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人巴经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书两使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：扭羹堕霉姿塾旦握捡型披盔盈蕴一一一 一一 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：扭载婴重达盈垦握拴型拉苤珏塞 一 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 嘬羝：叼? 辱f 茂5 b 喊岬 月n 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一童绪论 1 1 研究背景 在现代战争中，掌握制空权是赢得战争胜利的重要保证，机载预警雷达、机载火控雷 达等机载雷达在战场上起着举是轻重的作用。在美国对南联盟、阿富汗及伊拉克的最近几 次局部战争中。机载雷达显示了强大的威力，从而为更多的人所了解由于机载雷达以高 空飞行的飞机为载体，其可视距离要比地基雷达远得多，大大增加了雷达提供的警戒时间， 它具有许多地基雷达所无法比拟的优越性因此，机载雷达的研制受到了各国的高度重视 机载脉冲多普勒( p l i l s ed o p p l e r , p d ) 雷达是一种利用多普勒效应检测目标的全相参体制的 雷达能实现对雷达信号脉冲串频谱单根谱线滤波( 频域滤波l ，具有对目标进行速度分辨 的能办自五十年代后期出现p d 雷达之后，许多国家都非常重视p d 雷达的研制，投入 了大量的入力、物力。目前p d 技术已广泛地应用于机载预警雷达、机载、舰载和地面火 控雷达，超视矩雷达和气象雷达之中 与地基雷达检测空中动目标不同的是，机载p d 雷达在对地海面运动目标进行检测时， z 套受蓟强的地海杂波干扰，两量由于载机平台的运动地海面也具有相对于雷达的径向 运动速度j 从而使地杂波产生多普勒频移，同时，由于天线波柬具有一定的宽度，而不同 方位的臣定散射体由于径向速度不阿，形成不同的多普勒频率鲍回波，其总的效果是杂渡 谱相对于地基雷达有较大l 韵多普勒展宽而地面低速运动目标由于相对地面的运动速度 低，因此其运动所附加的多普勒频偏小，导致其回波常常处于展宽的杂波谱中间或者边缘 因此，机载p d 雷达的地面低速动目标检测问题实际上是在强地杂波背景中检测和识别运 动目标的回波，首要的任务就是进行杂波抑制以提高信杂忱 机载p d 雷达主要工作在下视状态，其杂波分布范围广、强度大，尤其是丘陵和山区 地带，杂波强度可达6 0 - 9 0 d b ，强烈的地海杂波对目标检测构成了极大威胁同时由于载 机运动，致使杂波谱大大展竞，导致目标常常淹没在杂波中，雷达的目标检测能力受到严 重影响。此外，随着现代军事电子技术的迅速发展，机载d d 雷达面临日益严峻的电磁环 境，来袭日标常常是全方位、多批次、且隐身能力强，而实际电子战环境中还存在着多种 形式的干扰将严重影响雷达对茸标豹检测与跟踪能力对雷达杂波的准确建模与仿真， 将直接影响雷达的检测性能。在雷达系统的研究、设计和检验等各个阶段，杂波的仿真及 参数估计都有极其重要的价值。；因此，研究机载p d 雷达地海杂波，在理论上和技术上j 习i 有十分重要的意义，如何对机载p d 雷达地海杂波有效抑制，是机载p d 雷达下视工作的 难题，丽又是必须解决的问题。 重2 研究现状 多年来美国、俄罗斯、法镘、英国等国家在机载预警、机载火控雷达等方面己研制成 功壶独型曼的先进p d 露达差投厶使腿。我国丛土笔岱珏始砥越e 您雷达。经过釜玺玺 第l 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 力，己掌握了先进机载p d 体制雷达的研制技术和手段。目前中国电子科技集团第十四研 究所、中国航空一集团第6 0 7 所已有定型的机载p d 雷达产品，机载p d 雷达的工程样机 已实现了适应性领先试飞，正在装备部队，我国目前机载p d 雷达的总体水平距国际先进 水平尚有较大的差距，主要表现在雷达作用距离、检测能力、各种战术数据的处理能力上 【l 】 o 机载雷达的发展，将使现代战场变得“透明 起来，然而它也面临着更加特殊、更加 复杂的战场环境，战术技术要求更高。从最近几次局部战争看出，作战的范围较大、具有 多目标探测和跟踪能力是未来空战对雷达提出的新的要求，低空超低空目标检测与抗地杂 波技术就是机载雷达“四抗” 2 1 技术研究中的两项重要技术。美国f - 2 2 飞机装备的 a n a p g 7 7 雷达作用距离大于1 4 0 k m 。俄罗斯苏3 7 飞机上装备的h o l l 相干脉冲多普勒 抗干扰雷达作用距离达到1 6 5 k i n ，对反射面积大的重型轰炸机探测距离可达到4 0 0 k m ，对 地面反差大的目标如中型桥梁也可在2 0 0 k m 外探测到，它对地杂波抑制度为5 0 d b ，是具 有极强的下视能力的机载p d 雷达。俄罗斯苏3 5 飞机上装备的y k p h 脉冲多普勒雷达， 它能够同时探测2 4 个目标，并能保持对其中8 个目标的跟踪，同时对6 个目标实行攻击， 在空战中的优势是明显的。 针对机载p d 雷达杂波建模，目前常使用的杂波模型主要有三种方式【3 】：( 1 ) 描述杂波 散射单元机理的机理模型；( 2 ) 描述杂波后向散射系数的概率密度函数的分布模型；( 3 ) 描述由实验数据拟合与频率、极化、俯角、环境参数等物理量的依赖关系的关系模型。 对于单通道数据，由于杂波的起伏统计特性对杂波相消处理器输入信杂比的计算有重 大影响，杂波的频谱特性直接关系到m t i 滤波器的设计，故多采用描述杂波后向散射系数 的概率密度函数的分布模型也即统计模型的表示方法。目前利用统计模型仿真相关雷达 杂波的方法，比较有代表性的主要有三种，即： ( 1 ) 球不变随机过程法( 简称s i r p ) ； ( 2 ) 无记忆非线性变换法( 简称z m n l ) ； ( 3 ) 随机微分方程法( 简称s d e ) 。 对于分析杂波的相关特性及杂波对雷达性能的影响机理，则需要对杂波进行详细的信 号级建模。目前，国内外常用的杂波信号级建模主要工作集中在以下几个环节【4 l ： ( 1 ) 散射单元的划分； ( 2 ) 地海面散射系数建模； ( 3 ) 天线方向图建模。 机载p d 雷达动目标检测技术的相关研究包括主杂波跟踪和平台运动补偿技术、a m t i 技术、m t d 技术、d p c a 技术、空时二维处理技术、a t i 干涉动目标显示技术等。 最早出现的主杂波跟踪和平台运动补偿技术通过估计主杂波的多普勒中心，以补偿该 中心的频移，然后采用m t i 对消器来滤除主杂波。采用该方法的典型系统是麻省理工学院 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 ( m i t ) 林肯实验室六十年代提出的时间平均相干机载雷达技术f 5 l ，通过对多个重复周期的回 波采样获得主杂波的中心频率，然后以其控制产生本振信号的压控振荡器的频率，从而在 中频上消除主杂波的中心多普勒频移。另外，主杂波的跟踪也可以在基带上进行，如r v o l e s 于1 9 7 3 年提出的频移选通法【6 】，先遏过对基带信号进行所有可能的多普勒颓移，然后利尉 m t i 对消器对频移结果进行处理，选取处理结果中功率最小的通道作为输出。 a m t i 技术【7 】与前述主杂波跟踪技术的目的相同，都是跟踪主杂波的中心多普勒频率 不同的是，a m t i 技术采用自适应滤波的方法，在一定的最优准则下( 如输出功率最小) 获得 m t l 滤波器的自适应加权，从而获得信杂比的改善 m t d 技术【5 ，8 】通过采用窄带多普勒滤波器组来获得各多普勒通道的输出，然后通过估 计多普勒强杂波区，来滤除区内的强地杂波。 主杂波跟踪、a 仍与m t d 都是时域或频域白争一维处理技术，因此，仅对处于主杂 波谱外部( 运动速度较高) 的地面动目标有效而低速动目标由于其附加的径向速度低，其 回波往往处于主杂波谱内部或主杂波谱边缘，因此，上述的一维方法难以发现 d p c a 技术【毛9 】是e r d i c k c y 和d b a n d g r s o l l 等人五十年代提出的方法用来在侧视 雷达中进行平台运动补偿。通过相位中心的巧妙设置，使得平台运动速度y i 、与阵元间隔 d 、脉冲重复周期r 之间严格满足条件= d = 2 v t 然后采用类似于经典的m t i 对消器进 行相位中心间杂波对消。但是，由于载机速度通常是变化而难以预测的，因此在实际应用 中，- d p c a 最佳处理的条件难以保证。在均匀线阵的侧视单脉冲雷达中。一种电子式 e d p c a 技术被提出以进行平台运动补偿。在该方法中，利用相控阵雷达单脉冲和差通 道的相位关系进行空时相位补偿，并通过对补偿信号的幅度加权进行自适应调整来对消地 面固定杂波国内电子科技大学的薛巍等提出了一种基于主杂波中心颇移的机载雷达杂波 抑制方法f l o 】，该方法在电子式e d d p c a 处理前，采用自适应谱中心估计技术估计主杂波 谱中心，然后将谱中心移至零频，以在机载侧视雷达进行方位扫描时获得较好的杂波抑制 性能，薛巍、江朝抒等还研制了基于d p c a 的机载远程战场侦察雷达杂波抑制系统【i l l 。传 统d p c a 、a - d p c a 在满足d p c a 条件的侧视雷达中具有较好的地面低速动目标检测性 能，但它要求相位中心沿平台运动方向设置，因此对于前斜视的机载火控雷达，无法直接 采用而f s d p c a 尽管在机载火控雷达中也具有一定的地面动目标检测性能，但由于该 技术为d p c a 的改进型，本质上仍然适合机载侧视雷达，因此其在机载火控雷达中的 g m t i 性能难以提高。 为了充分利用机载雷达地杂波的空时二维耦合特性来抑制地杂波，l e b r c n n a n 等1 9 7 3 年在自适应滤波理论的基础上提出了自适应雷达理论【1 2 ”】，其内容构成了空时自适应处理 ( s 仉蝴) 理论的基础。最佳自适应加权由杂波的空时二维统计相关特性和信号导引向量共同 确定，其运算( 后来被称为s m i 或采样矩阵求逆算法) 涉及到相关和矩阵求逆等，运算量为 ( n k ) 3 ，n 为一个相干处理间隔( c p i ) 内脉冲数，k 为阵元数，运算量大，无法实现实时处 理。为此，r ：k l e m m 通过对杂波相关特性的深入研究发现，杂波协方差阵的大特征值的个 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 数( 杂波空间维数) 不超过n + l ( ，k l e m m 在此基础上提出了辅助通道法【l4 ，”】，s t a p 的运算 量由呷( ) 3 减少到卅k ) 3 。二十世纪九十年代，h w a n g 等提出了局域联合处理的降维方法， 通过多普勒局域化处理，进一步降低了杂波空间维数。在此基础上，r d b r o w n 等提出了 适应于传统单脉冲体制雷达的厶s t a p 方法【1 6 ，1 7 1 ，其频域的实现方式运算量低，适合于实 时处理系统的实现。 在国内，部分高校和科研院所也积极从事机载p d 雷达动目标检测技术的研究工作。 电子科技大学从“七五 开始，一直从事d p c a 技术和降维s t a p 技术的研究工作，“九 五 期间，研制了用于远程战场侦察雷达系统的“单路a d p c a 信号处理器 ，在“十五 期间，完成了“机载火控相控阵雷达关键技术”的研究，其中包括地面低速动目标检测技 术研究。西安电子科技大学重点研究了s t a p 及其降维处理算法，取得了丰硕的研究成果 1 s - 2 2 】。中电集团十所长期进行直升机载远程战场侦察雷达和直升机载火控雷达的总体技术 的研究，并在若干关键技术上取得了不小的进展。另外，中电集团十四所、三十八所、清 华大学、国防科技大学、空军雷达学院、北京航空航天大学、北京理工大学等在机载p d 雷达低速动目标检测等关键技术研究方面也作出了非常突出的贡献。 1 3 本文结构 机载p d 雷达工作在下视状态时，会有很强的地海杂波进入雷达接收机，机载p d 雷 达面临的杂波环境会直接影响其工作性能，因此，对机载p d 雷达的杂波环境进行准确的 建模是后续研究如检测、跟踪的基础。由于载机的运动，杂波谱被搬移和展宽，这给动目 标检测带了一些困难，特别是低速和静止目标的检测，如何有效的抑制杂波、提高雷达的 检测能力一直是一个难题。针对上述问题，文章展开了相关研究，具体结构如下： 第一章绪论，概括介绍了本文的研究背景和国内外研究现状，提出了需要分析和解决 的一些实际问题。 第二章首先对机载p d 雷达杂波特征进行了分析概括，接着对常用的杂波统计模型进 行了归纳，然后对机载p d 雷达杂波进行了信号级仿真，给出了相关模型，最后结合机载 p d 雷达实战场景，仿真给出了低、中、高重频工作模式下的杂波数据和杂波频谱，并对 其进行了详细分析。 第三章从易于工程实现的角度出发，研究了与动目标检测相关的几种一维处理方法。 首先给出了m t i 、a m t i 、m t d 等常规检测算法的原理和实现方法。在此基础上，本章立 足于在降低地杂波强度的同时，减小地杂波谱宽度，提出了变采样率动目标检测算法，阐 述了变采样率动目标检测算法的原理和实现方法。采用变采样率算法，对白噪声中的目标 检测进行仿真分析，得出相关规律，进而将该方法应用到杂波中的目标检测上，再通过仿 真分析对该方法的有效性和高效性进行了验证。 第四章从机载p d 雷达动目标检测二维处理方法出发，研究了基于d p c a 的机载p d 雷达动目标检测技术。首先描述了d p c a 技术的发展历程，接下来介绍了几种常用的d p c a 方法的工作原理和结构。采用二单元d p c a 技术，本章第三节推导了机载p d 雷达接收杂 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 波和目标信号的表达式，通过公式证明了d p c a 对检测低速动目标的有效性。第四节从姆 何提高载机速度测量精度出发，研究了采用i n s g p s 组合导航系统对载机速度测量精度盼 改善效果，提出i n s g p s 组合导航技术有利于提高d p c a 检测性能。最后。本章第五节给 出了d p c a 动目标检测的仿真结果，与m t d 检测性能进行了对比，并结合惯导测速和 i n s g p s 组合导航测速，分析了在存在速度测量误差情况下 d p c a 饷检测性能，验证了采 用i n s g p s 组合导航技术进行测速能够提高测量精度、降低成本，有利用提高d p c a 检 测性能。 第五章结束语对全文进行总结，归纳了论文主要工作和研究成果，探讨了后续研究方 向。 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章机载p d 雷达杂波建模技术研究 本章对机载p d 雷达面临的杂波环境进行了建模，首先从功能级的角度，讨论了杂波 在不同场景下服从的统计模型，在此基础上，研究了机载p d 雷达杂波信号级建模方法， 对杂波进行了信号级建模和仿真建立了坐标系之间的转换模型、海面散射单元的划分模 型、雷达导引头天线模型、低掠射角下海面散射系数模型等等，最终结合机载p d 雷达具 体作战场景，仿真得到了机载p d 雷达工作在低、中、高重频模式下的杂波数据，分析了 三种工作模式下的杂波频谱情况。仿真结果与理论分析相吻合。 2 1 杂波建模概述 在研究机载p d 雷达所面临的杂波环境时，建立准确的杂波模型，对评估雷达在杂波 环境下的检测性能、提高和改进雷达在强杂波背景下探测目标的能力，在理论和技术上均 有重要的意义。 雷达杂波模型主要有杂波功率模型和相干杂波模型两种。杂波功率模型是对杂波平均 功率的一种描述，它对系统大规模的仿真和某些实时仿真用途较大，同时，杂波作为一种 复杂的随机过程，仅用幅度上的起伏已不能充分表示杂波的相关信息，必须要从空间分布 和时间分布上来描述它的属性。相干杂波模型利用了杂波的相位，包含了有关雷达环境的 全部信息，它能仿真实际雷达要进行的整个检测过程，因此通常系统中用到的杂波模型为 相干杂波模型。 研究杂波的相干模型时，雷达接收到的单个距离门单元的杂波是由多个散射单元的回 波叠加而成。因此，模型能够充分反映杂波特性的前提条件就是要对每个散射单元的回波 进行准确的计算。雷达参数、飞机姿态、几何关系和地形、地貌状况或海况等都是影响杂 波功率的主要因素，因此在建模过程中，对这些因素都要充分考虑。 机载p d 雷达与地面之间存在着相对运动，再加上雷达天线方向图的影响，使机载p d 雷达杂波频谱得以展宽和搬移。杂波分为主瓣杂波区、旁瓣杂波区和高度线杂波区网。 主瓣杂波：机载p d 雷达天线的主波束在某一时刻照射到地海面的某一区域，在此区 域内各同心圆环地面有着不同的仰角。因此，相对雷达平台的运动而言，那些不同的环带 地面具有不同的径向速度并分别相应地产生杂波，这些杂波的总和就构成了主瓣杂波。假 设天线主波束的宽度为以、天线主波束空间指向与载机速度矢量之间的夹角为、载机运 动方向上的速度为、发射信号波长名，则p d 雷达天线主波束中心位置的多普勒频率为 一， 厶= 厶( ) = 竿c o s w o ( 2 1 1 ) ，其边缘位置与中心之间的最大多普勒频率差为： 馘擅= 石( 一冬) 一厶( + 冬) 孕易s i n v o ( 2 1 2 ) ll 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 。机载p d 雷达的主瓣杂波的强度与发射机功率、天线主波束的增益、地海面对电磁波的 反射能力、载机与海面之间的高度等因素有关，其强度可以比雷达接收机的噪声强 1 0 9 0 d b 。机载p d 雷达的主波束杂波的频谱与天线主波束的宽度、俯仰角、载机速 度1 ，。，发射信号波长五、p r f 及回波脉冲串的长度、天线扫描的周期变化等因素有关。 旁瓣杂波：机载p d 雷达天线旁瓣波束照射到地海面上时产生的回波，就构成旁瓣杂 波。雷达天线的旁瓣增益通常要比它的主瓣增益低得多。因为旁瓣杂波的强度也与载机的 高度、地海面的反射特性、载机的速度、天线的参数等因素有关，若设旁瓣杂波区的多普 勒频率范围为f c 蛐，则 ， z 。一= 竿 ( 2 1 3 ) 当雷达不运动时，旁瓣杂波与主瓣杂波在频域上相重合；当雷达运动时旁瓣杂波与主 瓣杂波就分别分布在不同的频域上。 高度线杂波：当机载雷达做平行于地海面的运动时，与速度矢量成沙角的地海面回波 1 的多普勒频率为竿c o s y 当天线方向图中的某一部分旁瓣垂直照射地海面时，y 暑9 0 ， 于是厶= o 。通常，把机载雷达垂直照射海面产生的杂波叫做高度线杂波。显然，高度线 杂波是旁瓣杂波中的一种特殊情况，由于地海面对电磁波存在着镜面反射，既当入射余角 接近9 0 0 时，地海面杂波的后向散射系数c r o 发生显著变化，高度线杂波的强度相对于旁瓣 杂波有明显的差别。 上述分析表明，机载下视p d 雷达的地海杂波是由主瓣杂波、旁瓣杂波和高度线杂波 所组成。但是当选择雷达发射信号的脚 掣时，其地海杂波在频域既不重叠也不连续， 以 从而出现了清晰区( 无杂波区) 。是否出现清晰区，这不但取决于p l 啦，而且与载机速度和 发射信号的波长名有关 2 毛常用的杂波统计模型 杂波统计模型对杂波豹幅度分布进行建模，它不考虑杂波的相位信息，属于功能级建 模。不同的场景下，地海杂波分别服从不同的分布。地杂波的起伏特性一般服从高斯分布， 海杂波概率分布也可以用高斯分布来表示，其幅度概率密度分布符合瑞利分布，但是随着 雷达分辨率的提高，相邻散射单元的回波在时间和空间上存在一定的相关性，用非高斯模 型来模拟海杂波能更精确的描述实际雷达回波的统计特性，这里，非高斯模型主要有对数 正态分布、韦伯尔分布、k 分布等。 雷达杂波回波信号一般表示为【2 3 l 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 x ( f ) = 五( f ) + 或( f ) = a ( t ) e x p j a ( t ) 】 ( 2 2 1 ) 其中五( f ) 和( f ) 为杂波正交分量：彳( f ) 为杂波包络；口( f ) 为杂波随机相位。 2 2 1 高斯分布 雷达杂波采用复信号表示： z ( f ) = x ( f ) + y y ( f )( 2 2 2 ) ，实部和虚部分别为独立同分布的正态( 高斯) 随机过程，给定任意时刻f ，x ( t ) ，y ( t ) 为高 斯分布的随机变量。以实部z ( f ) 为例，其分布密度函数为： m ，= 击唧 _ 钭 亿2 渤 其中，z 为均值，盯2 为方差。一般认为杂波具有零均值，l i p = 0 。 2 2 2 瑞利分布 当杂波正交分量服从上述高斯分布时，杂波幅度的分布为瑞和j ( r a y l e i g h ) 分布。其概率 密度函数为： 似i 舻紊唧 一井 ， 其中，“( 功为阶跃函数，b 为瑞利参数。瑞利分布的均值和方差分别为： e ( 功= b d 刀t 2( 2 2 5 ) v 呱力= 字6 2 对概率密度函数积分，可得瑞利分布的分布函数： 删i = 辟唧吲捌一唧 一别 图2 2 1 给出了不同的瑞利参数条件下，瑞利分布的概率密度曲线。 ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 第8 页 蓬l 舫科学技术大学研究生院硕士学位论文 圈2 2 1 瑞利分布的概率密度曲线 2 2 3指数分布 当杂波分量为上述高斯分布时，其功率服从指数分布指数分布的概率密度函数为： m = 纠一云h 其中，口( 砷为阶跃函数，为其均值，其方差为t 。 图2 2 2 给出了不周均值条件下，指数分布的概率密度曲线 鬻2 2 2 指数分布的概率密度曲线 ( 2 2 8 2 2 4 对数正态分布 对数正态分布是s f g e o r g e 在1 9 6 8 年提出的。它是常用的描述非瑞利包络杂波的一种 统计模型。其概率密度函数为： 眦种= 志唧卜鼍笋卜 其中，“( x ) 为阶跃函数，为l n x 的均值( 尺度参数) ，汐为l n x 的标准偏差( 形状参数) 对 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 数正态分布的均值和方差分别为： 砸) = e x p 卜了0 2l ( 2 2 1 0 ) v a r ( x ) = e x p 2 【f + 2 0 2 - e x p e 2 , u + 0 2 ( 2 2 1 1 ) 对数正态分布是常用的非瑞利分布杂波中拖尾最大的一种，对于精度很高的雷达或者 地面起伏特别大的地区，适用该模型通常可以实现比较满意的匹配结果。图2 2 3 和图 2 2 4 给出了对数正态分布的概率密度随尺度参数以及形状参数仃变化关系曲线。 图2 2 3 对数正态分布的概率密度随尺度参数“变化关系曲线 图2 2 4 对数正态分