（信息与通信工程专业论文）全极化测量雷达信号处理方法研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 极化技术在目标探测和识别上的性能优势使得全极化测量体制雷达研制成为 当前雷达界的热点和难点问题之一。本文立足于目标极化特性测量这一基础性课 题，以理论分析和工程实践作为研究途径，深入研究了全极化测量雷达信号处理 涉及的若干关键技术，参加了瞬态极化雷达实验系统的研制工作，并通过瞬态极 化雷达实验系统外场实验对这些技术进行了验证分析。具体工作如下： 1 同时极化测量体制被认为是实现目标极化特性准确测量的有效途径。这种 体制能利用单个脉冲获取目标完整的极化散射矩阵，但极化测量波形自相关与互 相关特性的相互制约，将导致测得的散射矩阵元素会受到相邻目标的散射矩阵或 目标本身散射矩阵其它元素的干扰。论文将基于m m s e ( m i n i m u mm e a n s q u a r e e r r o r ，最小均方误差) 估计的自适应滤波算法扩展应用到同时极化测量体制下的 全极化雷达脉冲压缩，在分离各极化通道回波信号的同时实现脉冲压缩，能有效 地抑制相同极化通道邻近距离单元的干扰和不同极化通道之间的串扰。仿真结果 表明：该自适应滤波算法能比标准匹配滤波器更好的实现全极化雷达脉冲压缩。 另外，这种算法也同样适用于分时极化测量体制。 2 g o l a y 互补码和a l a m o u t i 空时编码相结合的极化测量方法能有效解决同时 极化测量波形自相关与互相关函数相互制约的矛盾。针对这种测量方法，论文设 计了一种具有多普勒补偿能力的全极化雷达接收机信号处理方案，重点分析了多 普勒频移对接收机性能的影响，仿真结果表明该方案在目标多普勒频移比较大的 情况下，仍然具有比较好的性能。此外，该设计具有结构简单，易于工程实现的 特点。 3 参加了瞬态极化雷达实验系统的研制工作，主要负责瞬态极化雷达主控子 系统和任意波形发生器的研制。论文简要介绍了瞬态极化雷达系统的功能和组成， 阐述了各子系统的结构及信号处理流程；详细介绍了瞬态极化雷达主控子系统的 设计和实现；分析了瞬态极化测量原理及波形设计原则，研究了基于任意波形发 生器的波形生成方法及实现；最后以该瞬态极化雷达作为实验平台，对上述瞬态 极化测量方法及波形设计进行了验证分析。 主题词：全极化雷达 瞬态极化 同时极化测量自适应脉冲压缩m m s e 估计互补码空时编码多普勒补偿任意波形发生器 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t e x p l o i t i n gp o l a r i m e t r i ci n f o r m a t i o nc a ng r e a t l ye n h a n c er a d a rc a p a b i l i t i e s ，s u c ha s t a r g e td e t e c t i o na n dr e c o g n i t i o n ，s oi t i sat r e n dt os t u d yp o l a r i z a t i o nt e c h n o l o g ya n d d e v e l o pp o l a r i m e t r i cr a d a r i nt h i st h e s i s ，w ef o c u so nt h er a d a rt a r g e ts c a t t e r i n gm a t r i x m e a s u r e m e n t ，w h i c hi st h ef o u n d a t i o no fe x p l o i t i n gp o l a r i m e t r i c i n f o r m a t i o n t h e m e a s u r e m e n tt e c h n i q u ef o rf u l lp o l a r i m e t r i cr a d a ri ss t u d i e db yt h ea p p r o a c ho ft h e o r y a n a l y s i sa n de n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，a n dt h ef u l lp o l a r i z a t i o nm e a s u r e m e n tm e t h o di s a n a l y s e db ys y n t h e t i ca n dr e a ld a t a t h ei n v e s t i g a t i o n si n c l u d e ： 1 i ti sar o b u s ta p p r o a c ht oe s t i m a t er a d a rt a r g e ts c a t t e r i n gm a t r i xb yi n s t a n t a n e o u s p o l a r i z a t i o nm e a s u r e m e n t a l t h o u g ht h ea p p r o a c hm a k e st h ep o l a r i z a t i o ns c a t t e r i n g m a t r i xa v a i l a b l eo n ap u l s e - b y - p u l s eb a s i s ，i tw i l lb em a s k e db yt w ot y p e so f i n t e r f e r e n c e a r i s i n gf r o mt h e n o n - i d e a p r o p e r t i e s o fs i g n a la u t o - - c o r r e l a t i o na n d c r o s s c o r r e l a t i o nf u n c t i o n t h eo n et y p eo fi n t e r f e r e n c ei sf r o ma l li n t e r f e r i n gt a r g e td u e t ot h es i d e l o b e so fa u t o c o r r e l a t i o nf u n c t i o n ，t h eo t h e ro n ei sf r o mt h es a m et a r g e to ra n i n t e r f e r i n gt a r g e td u et on o n z e r ov a l u e so fc r o s s c o r r e l a t i o n i nt h i st h e s i s ，t h ea d a p t i v e m m s e ( m i n i m u mm e a n - s q u a r ee r r o r ，m m s e ) f i l t e r i n gc o n c e p ti sg e n e r a l i z e df o r a d a p t i v ep u l s ec o m p r e s s i o no fi n s t a n t a n e o u sp o l a r i m e t r i cr a d a r t h ea p p r o a c hjo i n t l y s e p a r a t ea n dp u l s ec o m p r e s s t h ec o n c u r r e n t l yr e c e i v e dr e t u r n s i g n a l sf r o mo t h e r p o l a r i m e t r i cc h a n n e l s ，a n de l i m i n a t eo fr a n g es i d e l o b e sd u et o t h ea u t o c o r r e l a t i o n f u n c t i o na n dt h ei n t e r f e r e n c eo fo t h e rc h a n n e l s t h ep r o p o s e dm e t h o di sc o m p a r e dw i t h t h es t a n d a r dm a t c h e df i l t e ra n di ss h o w nt ob es u p e r i o ro v e rav a r i e t yo fs t r e s s i n g s c e n a r i o s a d d i t i o n a l l y ，t h ea r i t h m e t i cc a nb ea l s oa p p l i e df o rt h ep u l s ec o m p r e s s i o no f t h et i m e d i v i d e dp o l a r i z a t i o nm e a s u r e m e n t 2 t h em e t h o d ，m a k i n gg o o du s eo fg o l a yc o m p l e m e n t a r yc o d e sa n da l a m o u t i s p a c e t i m ec o d e s ，c a ne l i m i n a t e t h ec o n f l i c tb e t w e e na u t o c o r r e l a t i o na n d c r o s s c o r r e l a t i o no fw a v e f o r m sf o rf u l lr a d a rp o l a r i m e t r y a c c o r d i n gt ot h ep o l a r i m e t r i c m e a s u r e m e n t m e t h o d ，as i m p l es i g n a lp r o c e s s i n g m e c h a n i s mw i t h d o p p l e r c o m p e n s a t i o nf o rt h er e c e i v e ri sc o n s i d e r e da n da n a l y s e di nt h i st h e s i s t h es i m u l a t i o n r e s u l tp r e s e n t st h a ti tc a na t t a i ng o o dp e r f o r m a n c ew h e nt h ed o p p l e rs h i f ti n d u c e db yt h e m o v e m e n to ft a r g e ti sl a r g e a d d i t i o n a l l y ，t h ea r c h i t e c t u r ei ss os i m p l et h a ti ti se a s yt o r e a l i z e 3 t h et e c h n o l o g yo fr a d a rp o l a r i m e t r ya n dt h ed e v e l o p m e n to fp o l a r i m e t r i cr a d a r i si n t e r a c t i o n a l w i t ht h e e x p e r i e n c eo fe n g i n e e r i n gp r a c t i c e f o ra ni n s t a n t a n e o u s p o l a r i m e t r i cr a d a rs y s t e m ，t h ef u n c t i o na n ds t r u c t u r eo ft h es y s t e m ，a n dt h es i g n a l p r o c e s s i n ga r c h i t e c t u r eo fe a c hs u b s y s t e m i si n t r o d u c e di nt h i st h e s i s t h e n ，t h ec r i t e r i a o fw a v e f o r md e s i g nf o ri n s t a n t a n e o u sr a d a rp o l a r i z a t i o nm e a s u r e m e n ti sd e s c r i b e d ，a n d a na r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o ri sd e s i g n e df o rt h ew a v e f o r mg e n e r a t i o n f i n a l l y ，t h e 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 i t-i 1nstantaneous p o l a r i z a t i o nm e a s u r e m e n tm e t h o da n dt h ew a v e f o r i l ld e s i g ni sa n a l y s e d a n dv a l i d a t e db yt h ee x p e r i m e n td a t a k e yw o r d s ：f u l l y p o l a r i m e t r i cr a d a r ，i n s t a n t a n e o u sp o l a r i m e t r y ， i n s t a n t a n e o u sp o l a r i z a t i o nm e a s u r e m e n t ，a d a p t i v e p u l s e c o m p r e s s i o n ， m i n i m u mm e a n s q u a r ee r r o re s t i m a t i o n ，g o l a yc o m p l e m e n t a r y c o d e ， s p a c e t i m ec o d e ，d o p p l e rc o m p e n s a t i o n ，a r b i t r a r yw a v e f o r m g e n e r a t o r 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 1r m m s e 算法步骤1 6 表2 2 分时极化测量体制下r m m s e 算法性能2 2 表2 _ 3同时极化测量体制下啪m s e 算法性能2 6 表3 1 两正交通道发射波形的编码调制，3 2 表4 1简易串口的信号定义5 0 表4 ，2 部分瞬态极化测量波形6 1 表4 3 部分散射矩阵测量值一6 l 第1 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1 1 论文结构和主要研究内容4 图2 1 某弹头模型全极化一维距离像6 图2 2 同时极化测量工作方式示意图9 图2 3 两正交极化天线发射波形的自相关和互相关函数1 1 图2 4 匹配滤波得到的高信噪比条件下静止点目标一维像1 1 图2 5 匹配滤波得到的低信噪比条件下静止点目标一维像一1 2 图2 6 存在密集目标时匹配滤波得到的一维像1 3 图2 7 初始m m s e 滤波器与对应发射信号的互相关函数1 5 图2 8r m m s e 算法的迭代过程示意图( m = 3 ) 1 5 图2 9r m m s e 滤波器与发射信号的互相关函数1 8 图2 1 0 分时体制、高信噪比条件下的r m m s e 滤波1 9 图2 1 1 分时体制、m = 3 时每个过程形成的距离像比较2 0 图2 1 2 分时体制、低信噪比条件下的r m m s e 滤波一2 0 图2 1 3 分时体制、高速运动目标的蹦m s e 滤波一2 l 图2 1 4 分时体制、密集目标环境下的r m m s e 滤波一2 1 图2 1 5 同时体制、高信噪比条件下的r m m s e 滤波一2 3 图2 1 6 同时体制、m = 3 时每个过程形成的距离像比较。2 3 图2 1 7 同时体制、低信噪比条件下的r m m s e 滤波一2 4 图2 1 8 同时体制、两静止目标情况下r m m s e 滤波一2 4 图2 1 9 同时体制、两运动目标情况下r m m s e 滤波一2 5 图2 2 0 同时体制、密集目标情况下r m m s e 滤波一2 6 图3 1 互补码的自相关函数一3 0 图3 2 一对正交极化天线结构下的同时极化测量示意图3 1 图3 3 同时极化测量发射波形示意图一3 2 图3 4v 通道接收机示意图3 4 图3 5 两对正交极化天线结构的同时极化测量示意图3 5 图3 6 传统单极化雷达工作示意图一3 7 图3 7 单极化雷达得到全极化雷达检测性能所需额外的信噪比一3 8 图3 8 单极化雷达所需额外的信噪比( 只用到主极化w 和h h 通道) 3 8 图3 9 自相关模糊函数c l ( z ，e ) c , ( o ，o ) 4 0 图3 1 0 互相关模糊函数c 2 ( z ，a ) c ( o ，o ) 4 0 图3 1 1 多普勒补偿滤波器组4 0 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图3 1 2 多普勒补偿对p s l ( 8 ) 和( 口) 的影响4 2 图4 1瞬态极化雷达结构图一4 3 图4 2 收发天线布局与单个天线布局一4 4 图4 3 射频发射子系统设计框图一4 5 图4 4 射频接收子系统设计框图一4 5 图4 5 信号处理子系统处理流程一4 6 图4 6 主控子系统设计框图4 7 图4 7 数字设计框图一4 8 图4 8m i c r o b l a z e 架构一4 8 图4 9 触发时钟时序关系一4 9 图4 1 0 延时状态机一4 9 图4 1 1 脉冲生成状态机5 0 图4 1 2 脉冲顶层模块示意图一5 0 图4 1 3 触发脉冲仿真波形图一5 0 图4 1 4u a r t 接收状态机5 l 图4 1 5u a r t 发送状态机5 1 图4 1 6g p i o 框图一5 2 图4 1 7p l l 倍频电路原理图5 3 图4 1 8e d k 系统开发流程图5 3 图4 1 9 瞬态极化测量信号接收框图一5 4 图4 2 0 双通道任意波形发生器结构图5 6 图4 2 1 瞬态极化测量波形产生流程一5 7 图4 2 2 任意波形发生器产生的线性调频信号一5 8 图4 2 3 带内起伏度鲋和直流分量随频率带宽的变化曲线5 8 图4 2 4 外场实验测量目标一5 9 图4 2 5 瞬态极化雷达射频及天线系统实物图5 9 图4 2 6 若干实验结果6 0 第v 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 其他人已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而使用过的材料与我一n z _ 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： 全拯丝型量重达焦曼处理虚洼盟塞 学位论文作者签名：三曼生旺 日期：办惩年i j 月吁) 日 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、使周学位论文的规定。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。) 学位论文作者签名：垄礁垒 作者指导教师签名：婵 日期：如前年1 1 月吁日 日期：栅，f 月修日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 随着现代雷达技术、信息技术、器件水平的发展和提高，雷达目标极化特性 成为继其能量、频率、相位特性之后，雷达信息处理和电子对抗等领域研究的重 要对象【l 】。极化测量体制雷达在目标探测和识别上的性能优势使得雷达极化理论研 究和极化雷达研制成为当前雷达界的发展潮流【2 】，如今极化技术已被广泛应用于遥 感、机载星载合成孔径雷达、导弹防御雷达、气象雷达、毫米波制导雷达等系统。 极化信息在雷达抗干扰、抗杂波、微弱目标检测、自动目标识别等领域的成功应 用证明极化散射矩阵的所有元素都具有应用价值【3 】- 【5 1 。 雷达目标极化特性的测量是雷达极化领域的基础性问题，如何准确获取目标 的极化特征信息，并加以有效利用，长期以来一直是雷达探测技术领域备受关注 的前沿问题【6 1 。在现代雷达的全极化、宽带高分辨发展趋势下【7 j 【1 0 】，利用全极化 测量来获取更加完整的电磁散射信息，增加目标的信息量，能有效地提高雷达目 标榆测、跟踪、识别。和抗干扰能力1 5 】【17 1 。发展具有全极化测量能力的新体制 雷达，提高雷达系统的探测能力，使之能够适应复杂多变的战场环境、具备智能 化探测识别能力，成为现代雷达的发展趋势0 8 1 - 2 6 1 。 瞬态极化测量体制( 也称同时极化测量) 采用两正交极化通道“同时发射， 同时接收”的工作方式【2 7 】，避免了传统分时极化测量体制固有的测量精度差、补 偿校准复杂的缺陷， 被认为是实现目标极化特性准确测量的有效途径。这种测量方法能利用单个脉冲 测量出目标完整的极化散射矩阵，其核心思想是通过两发射波形之间的正交性实 现主极化和交叉极化通道的分离，这就要求两发射波形之间的互相关尽可能小。 同时，和传统单极化雷达一样，在对回波信号进行匹配滤波接收时，为了减小距 离旁瓣，需要发射波形的自相关函数尽可能接近于冲激函数。因此，瞬态极化测 量体制要求两正交通道发射波形同时具有好的自相关和互相关特性【2 8 1 ，而事实上， 这两者是一对相互制约的量。极化测量波形自相关与互相关特性的相互制约，将 导致测得的散射矩阵元素会受到相邻目标的散射矩阵或目标本身散射矩阵其它元 素的干扰，很难得到散射矩阵的精确估计。 本文立足于目标极化特性测量这一基础性课题，以理论分析和工程实践作为 研究途径，深入研究了全极化雷达测量技术，并使用实测数据对测量方法进行了 验证分析，研究成果将为全极化雷达测量方法研究及实现提供有益的借鉴和参考。 首先，针对瞬态极化测量波形自相关和互相关特性对测量性能的制约，提出将基 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 于m m s e ( m i n i m u mm e a n s q u a r ee r r o r ，最小均方误差) 估计的自适应滤波算法【2 州- 【业j 扩展应用到全极化雷达脉冲压缩，以提高极化测量的精度：其次，介绍了一种基 于互补码和空时编码的全极化测量方法【”】【3 4 】，针对多普勒频移对该测量方法性能 的影响，设计了一种具有多普勒补偿能力的全极化雷达接收机信号处理结构，改 善其测量性能；最后，参加瞬态极化雷达实验系统【5 5 】的研制工作，并以此系统作 为实验平台，对瞬态极化测量方法及波形设计进行了验证分析。 1 2 极化测量技术的研究现状和发展趋势 雷达目标极化特性测量性能的好坏直接关系到极化信息处理优势的发挥( 如 极化抗干扰、极化域目标识别等) 。受经济水平和技术的制约，极化雷达的研制 和装备经历了两个阶段，即非全极化测量和全极化测量阶段。 非全极化测量雷达通常采用单极化发射、全极化接收的模式，这类雷达的典 型代表为美国1 9 5 8 年研制的m i l l s t o n eh i l l 雷达【3 5 】- 【3 8 1 ，以及二十世纪六十年代研 制的a m r a d 雷达【3 9 j 【4 0 1 。由于非全极化测量雷达仅能够测量雷达目标散射矩阵的 一列元素，因此这种极化雷达在性能上的改善主要体现在目标检测和跟踪上( 能 够将检测和跟踪的信噪比提高几分贝 4 l 】) 。此外，采用这种极化方式还可以通过 调整两接收极化通道的相对幅度和延迟而对消阻塞式干扰和雨杂波【4 2 1 ，如 n a t h a n s o n 于19 7 0 年提出的用于空中交通管制雷达抑制雨杂波的自适应极化对消 方案【4 3 1 。 全极化测量雷达能够测量目标散射矩阵两列元素，它可以分为分时极化测量 阶段和同时极化测量阶段。分时极化测量雷达的典型例子如美国麻省理工学院林 肯实验室研制的k a 波段机载合成孔径雷达a d t s 3 6 】，【4 4 1 、j p l 实验室的s i r c t 4 5 1 、 加拿大c c r s d r e o 4 6 1 、丹麦的e m i s a r 合成孔径雷达【4 7 】【4 明以及美国的s - p o l 气象雷达等等；同时极化测量雷达的典型例子是美国佐治亚技术研究所( d i 对) 研制的w 波段三维成像雷达h i r e s 一9 5 【4 刿和n a s a 的x 波段空间目标i s a r 成像 雷达m e r i c 5 0 等。据文献 5 1 - 5 4 】报道，美国弹道导弹防御系统中承担中段目标 识别的g b r x b r 雷达亦具有极化测量能力。 分时测量体制需要两个脉冲重复周期才能得到日标的极化散射矩阵，对于某 些实际应用场合，如高速导弹目标等，在雷达的两次相邻观测期间，目标相对于 雷达的空间位置和姿态都发生了改变，因此两次观测得到的散射矩阵并不能反映 目标的真实特性。针对分时极化体制的缺陷，g i u l i 等人于1 9 9 0 年提出了同时极化 测量体制的概念 2 7 】 2 8 】，其核心思想是通过两发射波形之间的正交性实现主极化和 交叉极化通道的分离，这就要求两发射波形之间的互相关尽可能小。同时，和传 统单极化雷达一样，在对回波信号进行匹配滤波接收时，为了减小距离旁瓣，需 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 要发射波形的自相关函数尽可能接近于冲激函数。因此，同时极化测量体制要求 两正交通道发射波形同时具有好的自相关和互相关特性，而事实上，这两者是一 对相互制约的量。极化测量波形自相关与互相关特性的相互制约，将导致测得的 散射矩阵元素会受到相邻目标的散射矩阵或目标本身散射矩阵其它元素的干扰。 为了衡量这种干扰的大小并指导极化雷达的波形设计，g i u l i 等【27 j 人定义了两个参 量p 观( p e a k - s i d e l o b el e v e l ，峰值旁瓣比) 和i ( i s o l a t i o n ，独立性) 分别用来衡 量被测目标散射矩阵各元素对被测量的干扰以及干扰目标散射矩阵各元素对被测 目标散射矩阵的影响，并在此基础上提出了两种广义模糊函数同极和异极广 义模糊函数。 两发射两接收天线的全极化雷达，单从其硬件结构来看，这可以认为是一个 多输入多输出( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ，m i m o ) 系统。要在接收端区分来 自不同发射端的信号，很容易就会想到类似通信中的时间分集、编码分集和频率 分集的思想。分时极化测量方法采用按时间先后发射波形，可以认为是采用了时 分的思想；而对于同时极化测量，使用双频矢量波形的方法可以认为是采用频分 的思想，使用一对编码波形的方法可以认为是采用码分的思想。 ；f i s h i e r 等【5 6 】明确地提出了使用充分隔离的天线，能够增加相互统计独立的观 测信息。m i m o 系统的性能改善得益于对信息的空间分集增益，即系统的多个天 线为不同通道提供了相互统计独立的信息。m i m o 雷达作为现代雷达具有潜力的 发展方向之一【5 7 】- 【5 9 1 ，是因为其使用分布在空间不同位置的多个天线来增加对目标 不同角度的观察信息，以提高雷达的检测和识别等能力。单从增加信息量的角度 来说，采用极化差异和采用空间差异来增加对目标的观测信息是一样的。两者的 区别是：m l m o 雷达需要将天线布置在空间不同位置才能使不同天线对目标的观 测信息是相互独立的，因此，不同天线的回波到达时间会不一致，这无疑在技术 上和工程上都增加了实现各天线观测信息有效结合的难度。而极化雷达可以依靠 布置在空间同一个位置上的正交极化天线来增加目标的观察信息，并能凭借着极 化差异来保证不同极化通道观测信息的相互独立，这避免了因到达时间不一致而 难以实现各通道观测信息有效结合的困难。 t a r o k h 等【6 0 】【6 l 】提出的空时编码能够消除多天线通道间的耦合，增加信息空间 分集增益，提高衰落信道下通信的可靠性，促进了m i m o 通信技术的发展。基于 空时编码技术，h o w a r d 等提出了一种新的极化测量方法【3 3 j 【3 4 】：该方法使用互补码 构造a l a m o u t i 空时编码块，调制不同极化通道的发射波形，在消除极化通道间耦 合的同时，又保留了互补码理想的自相关特性。尽管从严格意义来讲，这种基于 互补码和空时编码的全极化测量方法并不能算为同时极化测量体制，因为它仍然 需要连续两个脉冲回波才能得到目标的极化散射矩阵。但是，这种测量方法很巧 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 妙地将空时编码、互补码与极化结合在一起，为发挥多维极化信息处理优势提供 了一种实现途径。 1 3 论文的主要工作与结构安排 本文工作是紧密围绕国家自然科学基金重点项目“雷达极化信息获取与处 理 、“9 8 5 二期”建设项目支持的“瞬态极化雷达实验系统”、国家自然科学基 金青年科学基金项目“宽带成像雷达有源假目标干扰的瞬态极化识别方法研究” 等展开的。依托上述项目的支持，围绕目标极化散射特性测量这一基础性课题， 本文以理论分析和工程实践相结合作为研究途径，深入研究了全极化雷达测量技 术，并通过外场实验对极化测量方法进行了验证分析。 论文的主要内容包括极化测量方法研究、瞬态极化雷达若干子系统研制及实 验两部分，其论文结构和主要研究内容如图1 1 所示：全极化测量方法包括分时 和同时测量两种，当使用传统的匹配滤波对回波进行处理的时候，两种方法都存 在因距离旁瓣而影响测量性能的问题，针对这个问题，第二章提出将基于m m s e 估计的自适应滤波算法扩展应用到全极化雷达脉冲压缩，该算法适用于分时和同 时两种测量体制，能有效的抑制距离旁瓣的干扰。 h o w a r d 等提出了一种基于互 补码和空时编码的全极化测量方法【3 3 】【3 4 1 ，为发挥多维极化信息处理优势提供了一 种新的实现途径，但是其性能对多普勒频移十分敏感。针对多普勒频移对这种测 量方法性能的影响，第三章设计了一种具有多普勒补偿能力的全极化雷达接收机 信号处理结构，以改善其测量性能。任何理论方法的验证和发展都离不开实测 数据的支撑，论文第四章以瞬态极化雷达系统作为实验平台，对瞬态极化测量方 法及波形设计进行了验证分析，并介绍了其若干子系统的设计和实现。 极化测量 全极化雷达信 方法 瞬态极化雷达 号处理方法 实验系统 分时极化 全极化雷达自 测量方法 实验验证 适应脉冲压缩 ( 4 4 ) ( 第2 章) 同时极化 测量方法测量波形产 生( 4 3 ) 全极化雷达接 基于互补码与空时 收机的多普勒 编码的全极化测量主控子系统 补偿( 第3 章) ( 新方法) 研制( 4 2 ) 图1 1论文结构和主要研究内容 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 论文各章主要工作如下： 第一章绪论，概括介绍了本文的研究背景和意义，阐述了极化测量技术的研 究现状和发展趋势，最后给出了本文的研究内容和研究思路。 第二章研究了全极化雷达自适应脉冲压缩处理方法。首先建立了极化测量体 制下的全极化雷达脉冲压缩信号模型，基于该信号模型和m m s e 推导了r m m s e ( r e i t e r a t i o nm i n i m u mm e a n s q u a r ee r r o r ，递归最小均方误差) 自适应滤波算法，仿 真分析了不同场景下该滤波算法的性能。 第三章首先介绍了基于互补码和空时编码的极化测量方法原理及信号处理结 构，并针对运动目标的多普勒频移会导致测量性能恶化，设计了一种多普勒补偿 的接收处理方案，并给出了相应的仿真分析。 第四章首先介绍了瞬态极化雷达系统的功能和组成，阐述了各子系统的结构； 然后详细介绍了瞬态极化雷达主控子系统的设计和实现；再次，根据瞬态极化测 量信号模型及波形设计原则，研究了基于任意波形发生器的波形生成方法；最后 以该瞬态极化雷达实验系统作为平台，对瞬态极化测量方法及波形设计进行了验 证分析，并对实验进行了简单的总结。 第五章结束语对本文研究进行了总结，归纳了本文的主要工作及创新点。 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章全极化雷达自适应脉冲压缩 2 1 引言 高分辨和极化从不同方面刻画了目标的散射特性。高分辨技术从距离、方位 等方面提高了雷达目标细微特征表征能力，大大降低了极化描述模型的模糊性； 目标的极化信息与其形状有着本质的联系，通过极化信息的提取，可获取目标表 面粗糙度、对称性和空间取向等信息，是完整刻画目标特性所不可或缺的。目标 全极化一维距离像通常包括w 、h v 及h h 四个通道的一维距离像，图2 1 为某弹头模型在微波暗室测量得到的全极化一维像，可以看出不同极化通道的目 标一维像存在明显的差异，通过对各个极化通道信息的综合处理，能够更全面的 获得目标散射特性，并在雷达识别领域得以成功应用【1 1 1 - 1 1 4 1 。 ，0 叼t h o2 04 06 0 m n 9 ei t x h x 田口e - 似麟r a r t - n o e x 图2 1 某弹头模型全极化一维距离像 如何准确地获取目标的全极化一维距离像，是发挥高分辨和极化技术优势的 前提。目前，获取目标全极化一维像的方法主要有两种：分时极化测量和同时极 化测量。分时测量体制需要两个脉冲重复周期才能得到目标的全极化一维距离像， 对于某些实际应用场合，如高速导弹目标等，在雷达的两次相邻观测期间，目标 相对于雷达的空间位置和姿态都发生了改变，因此两次观测得到的全极化一维像 不能反映目标的真实散射特性。同时测量体制，采用两正交极化通道同时发射、 同时接收的工作方式，只需要单个脉冲就可以得到目标的全极化一维像，克服了 分时极化测量的缺点。但是，同时测量方法对两正交通道发射波形的要求很高： 由于目标的极化散射特性对频率敏感，因此，两发射波形需要是相同频率带宽的， 并且要求具有好的自相关和互相关特性，而事实上，两者是一对相互制约的量。 第6 页 哪 咖 哪 嗽 。 一hoie口e6ue 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 发射波形的自相关特性不够理想，使每个极化通道得到的一维像会受到各自通道 本身其他距离单元的干扰；发射波形的互相关特性不够理想，会使脉压后得到的 主极化和交叉极化一维像之间存在相互串扰。另外，运动目标的多普勒频移也同 样会导致匹配滤波器的失配，产生距离旁瓣。因此，传统的匹配滤波接收很难得 到全极化一维像的准确估计。 针对单基地雷达和多基地雷达的脉冲压缩处理，s h a n n o n 等人提出了基于 m m s e ( m i n i m u mm e a n s q u a r ee r r o r ，最小均方误差) 估计的自适应滤波算法【2 9 】。【32 1 。 本文将该自适应滤波算法扩展应用到同时极化测量体制下的全极化雷达脉冲压缩 处理，与传统的匹配滤波处理相比，基于m m s e 估计的滤波算法能有效地抑制相 同极化通道邻近距离单元的干扰和不同极化通道之间的相互串扰。另外，在目标 运动速度比较大的情况下，该滤波算法也仍然具有好的性能。 本章第二节给出了传统单极化雷达脉冲压缩的信号模型：第三节给出了同时 极化测量体制下全极化雷达脉冲压缩信号模型，并基于该信号模型和m m s e 准则， 推导了r m m s e ( r e i t e r a t i o nm i n i m u mm e a i l s q u a r ee r r o r ，递归最小均方误差) 滤 波算法；仿真分析了在不同信噪比、不同目标场景下，该滤波算法对全极化一维 距离像的改善。 2 2 全极化一维距离像的建模分析 脉冲压缩技术既能保持窄脉冲的高距离分辨力，又能获得宽脉冲的强检测能 力，被广泛应用在高分辨雷达。采用匹配滤波器实现脉冲压缩可以提高输出信号 的信噪比，有利于距离一维像信息的提取。匹配滤波器的输出由一系列压缩脉冲 组成，每个距离单元的输出都伴随有其他距离单元的响应，由于雷达的实际发射 波形的自相关特性不够理想，因此，匹配滤波器的输出不可避免的会形成距离旁 瓣。当同一方位向上同时存在相邻的弱散射和强散射目标时，弱目标很可能会被 距离旁瓣所淹没，而无法被雷达检测到。 2 - 2 1 脉冲压缩和一维距离像 脉冲压缩雷达通常都采用匹配滤波器来处理回波信号，以得到距离高分辨。 在时域上看，匹配滤波相当于发射信号与滤波器冲激响应的卷积，对一已知信号 作匹配滤波，其冲激响应为该波形的共轭倒置。 设发射波形为p ( f ) ，则匹配滤波器的冲激响应可表示为p ( 一t ) ，匹配滤波器的 输出为： 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 絮 k ( f ) = le ( r ) e o r ) d r( 2 2 1 ) 当波形的时间长度为乙，则卷积输出信号的总长度为2 l 。实际上，匹配滤波 输出的主瓣宽度为l b ( 召为信号的频带宽度，为了降低副瓣而作加权处理，主瓣 会展宽) ，即距离分辨率为c 2 b ( c 为光速) 。脉压信号的频率带宽召通常较大 ( b 瓦1 ) ，输出主瓣是很窄的，在时宽为2 t 的匹配滤波输出中，绝大部分区。 域为幅度很低的副瓣区。 雷达目标散射回波可以看作是多个具有不同时间延迟和复振幅调制的已知信 号之和，对这样的信号用发射波形作为匹配滤波器时，由于滤波是线性过程，可 视为分别处理后叠加。设目标长度对应的回波距离段为缸，其相应的时间段为 a t = 2 a r c ，考虑到发射信号时宽为l ，则目标所对应的回波时间长度为a t + t ， 而匹配滤波后的输出信号长度为丁+ 2 l ，但包含主瓣的时间段仍然为丁，两端 的部分只是副瓣区。 匹配滤波器是高斯白噪声背景下点目标的最佳检测器，现将匹配滤波过程的 离散形式表征为： ( ，) = g h f ( ，)( 2 2 2 ) 其中，( z ) 为第，个距离单元的匹配滤波器输出，也可以认为是一维距离像的估 计；，= 0 ，1 ，l l ，三为距离处理窗口的大小：e = 口( 0 ) ，p ( 1 ) ，e ( n 一1 ) ，为发射信 号；尹( ，) = ，( ，) ，| ( z + 1 ) ，r ( z + 一1 ) 】7 为个相邻距离单元回波信号的采样；“( ) 和“( - ) 分别表示向量的共轭转置和转置；上标符号代表矢量信号，以避免混 淆。 声( f ) 中单个距离单元的回波采样 ，(