天波超视距雷达利用天波传播机理实现超视距探测,探测范围可达1000至4000公里。除探测距离远外,相较于传统体制雷达,天波超视距雷达还具有监视范围广、单位面积探测成本低、反隐身性能好、抗毁伤能力强、受天气因素影响小等特点。随着社会经济实力的上升,国家对海洋利益的诉求也与日俱增。如何保护人民群众海上生命财产安全、维护国家领海领土领空主权完整成为重中之重。天波超视距雷达因其具有上述诸多优势,正得到国家越来越多的关注与支持。在天波超视距雷达众多任务中,对海监视任务尤为突出,其中舰船目标检测,又是天波超视距雷达对海监视任务的重点与难点。天波超视距雷达舰船目标检测主要存在三个方面的挑战:一是始终存在的强海杂波会淹没舰船目标信号;二是非平稳电离层会引起多模多径效应以及相位污染;三是瞬态干扰、射频干扰等干扰信号会抬高检测背景噪声水平。本文围绕如何改善天波超视距雷达舰船目标检测性能这一问题展开研究。首先,本文回顾了天波超视距雷达舰船目标检测基础,主要包括目标信号处理与检测流程、外部扰动信号、天波传播机理等三个部分。在对舰船目标回波信号建模的基础之上,本文阐述了经典的目标信号处理与检测流程:脉冲压缩、波束形成、多普勒处理以及门限检测,并指出经典目标信号处理与检测流程可看成是高斯白噪声背景下Swerling I型目标检测的最优处理。外部扰动信号部分,本文通过数学建模并结合实测数据处理,在介绍天波超视距雷达外部扰动信号分类的基础之上,重点分析了海杂波、流星余迹杂波、闪电冲击噪声、射频干扰等对舰船目标检测的影响。天波传播机理部分,本文介绍了电离层的形成与结构,并通过一个简单的电离层模型定量分析了多径效应的产生原理,同时结合实测数据定性解释了多模效应与相位污染出现的原理及其对舰船目标检测的影响。以上三部分的介绍与分析,为后续章节针对具体问题提出相应解决方案打下基础。针对天波超视距雷达中常见的瞬态干扰抑制问题,本文将其转换成慢时间域冲击噪声抑制问题,并分别从瞬态干扰位置已知和未知两个方面展开研究。当瞬态干扰位置已知时,干扰抑制问题便可转化为缺失数据恢复问题。传统基于自回归模型假设的方法无法应对缺失数据位置任意的情况,本文从最大后验估计的角度,结合最大期望算法提出解决方案。考虑到计算量问题,本文进一步提出基于最小二乘估计的方法及其改进方法。仿真结果表明,改进的基于最小二乘估计的方法在恢复性能和计算量上,相较于未改进的最小二乘方法和最大后验估计方法,能够较好地融合这两种方法的优点。进一步,实测数据处理结果表明,该改进方法相较于其他类型的任意位置缺失数据恢复方法具有更好的恢复性能。当瞬态干扰位置未知时,本文从稳健平滑的角度,结合自回归模型假设,提出解决方案。该方法通过稳健平滑的方式,实现有用信号的提取,在此基础之上即可判断瞬态干扰位置,将被污染数据用估计出来的有用信号替代,即可完成瞬态干扰抑制。仿真结果表明,该方法相较于传统方法在瞬态干扰位置的估计上更为准确,同时实测数据处理结果表明,该方法与其他类型的瞬态干扰抑制方法相比抑制效果相当或更佳。针对电离层多普勒频移与阵列幅相误差校正问题,本文首先从数学上进行比较,发现二者在数学表达上存在联系但有区别。针对电离层多普勒频移校正问题,本文首先采用参数谱估计方法对不同距离单元慢时间回波数据进行功率谱估计,进而将局部峰值点检测出来作为备选一阶Bragg峰。根据一阶海杂波谐振机理,从备选一阶Bragg峰中确定一阶Bragg峰对。考虑到参数谱估计方法存在一定误差,同时目标信号也有可能被误选为一阶Bragg峰,本文采用稳健局部加权多项式回归方法对不同距离单元的一阶Bragg峰对进行平滑处理。当估计出一阶Bragg峰对的中心频率后,即可实现电离层多普勒频移校正。实验结果表明,本文所提方法具有更为有效且稳健的校正效果。针对阵列幅相误差校正问题,本文利用多组不同方位的流星余迹杂波作为校正源,分别从接收信号协方差矩阵Toeplitz结构和协方差矩阵特征子空间两个角度提出阵列幅相误差自校正方法。仿真结果表明,当幅相误差较小时,Toeplitz方法具有更好的校正效果;当幅相误差较大时,特征子空间方法更为稳健。针对杂波区域稳健滑窗恒虚警检测问题,本文首先回顾了滑窗恒虚警检测原理,并指出传统的滑窗恒虚警检测可看成是对检测背景扰动水平的估计以及对当前检测单元数据的归一化处理,同时引入不变理论,作为后续滑窗检测器恒虚警特性证明的理论基础。紧接着本文分析了天波超视距雷达杂波区域舰船目标滑窗恒虚警检测中参考窗设计、杂波区域划分以及检测背景分布的论证,并探讨了峰值检测预处理。最后针对威布尔分布背景,本文分别从形状参数已知和未知两个角度,进行滑窗恒虚警检测器的设计研究。针对形状参数已知的情况,本文从加权似然估计的角度出发,提出了加权似然检测器,该检测器与传统的有序统计检测器相比在鲁棒性相同的情况下计算量更小,有利于节省硬件资源。不过假设形状参数已知在实际应用中并不现实,因此本文又从稳健显性参数估计的角度出发,提出了稳健显性检测器。该检测器在威布尔分布背景中具有完全恒虚警特性,符合实际工程需要,并且仿真分析表明该检测器相较于传统的滑窗恒虚警检测器具有一定的优越性。最后,实测数据处理结果验证了所提检测器的可靠性。本文研究成果有助于改善天波超视距雷达舰船目标检测性能,提高天波超视距雷达在复杂非平稳环境下的工作能力,为天波超视距雷达信号处理框架的进一步发展提供可行的解决方案。