米波相控阵雷达超分辨测角技术研究

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米波相控阵雷达以其在反隐身、抗反辐射导弹上所具有的天然优势而成为反隐身技术的重要依托。米波雷达工作在VHF频段(波长为1~10米),一般的吸波材料、涂层对其不起作用,具有反隐身的优势,但也因为此,米波雷达相较于相同孔径的微波雷达而言,波束宽且易打地,仰角分辨力差,多径效应严重,目标位置信息易遭到破坏。本文以多径下的俯仰角测量作为重点研究内容,主要工作概括如下:首先,建立相控阵测角模型,多径反射模型,并重点分析了信号极化方式、地面粗糙度、地面起伏、地球曲率对反射系数的影响。第二,回顾经典测角算法,其中最大值法实质是多个空域滤波器分别对同一目标进行匹配处理,方法精度受限于扫描间隔。单脉冲测角算法使用两个相邻波束的幅度(相位)信息,仅需要单个脉冲就可以完成角度的测量,实时性强。第二,回顾经典测角算法,其中最大值法实质是多个空域滤波器分别对同一目标进行匹配处理,方法精度受限于扫描间隔。单脉冲测角算法使用两个相邻波束的幅度(相位)信息,仅需要单个脉冲就可以完成角度的测量,实时性强。通过仿真分析工程上使用两波束半功率波束宽度位置相交的原因,得出对于单脉冲算法半功率点可以同时满足测量精度和测角范围的要求。单脉冲算法的分辨能力为一个波束宽度,只适用于单个目标,对于主瓣内的两个目标,测量值将是两个实际目标角度的加权重心值。第三,介绍相干源数学模型,经典超分辨算法MUSIC、ESPRIT原理。对于多径下的强相干源,信号协方差矩阵出现秩亏损,上述两种算法失效。因此需要对信号协方差矩阵先进行预处理使其秩恢复,再使用超分辨算法来测角。针对解相干算法本文研究了空间平滑类:前向平滑、后向平滑、前后向平滑算法。矩阵重构类算法:矩阵分解算法、修正的矩阵分解算法、基于空间平滑的矩阵分解算法。Toeplitz类算法:托普利兹近似方法。对这些算法能够达到的测量精度、分辨能力及影响因素做了仿真,并对工程上使用时的参数选择做了分析,结果表明基于空间平滑的矩阵分解算法计算量小,更适于工程应用。最后,针对超分辨算法运算量大,研究了基于波瓣分裂的仰角测量算法。这种算法利用了反射波,接收回波信号幅度呈正弦变化,相邻分裂波瓣之间相位相反。如果仰角编码区间、误差曲线与实际环境匹配有较好的测量结果,如果不匹配会有较大的测量误差。
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