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高频地波超视距雷达海洋表面流探测方法研究

作　者: 安志娟
导　师: 保铮
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 高频地波超视距雷达海洋表面流探测方位估计快速子空间估计信号源数目估计一阶散射建模
分类号: TN958.93
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

高频地波超视距雷达可以实现对海洋环境状态(如风、浪、流等海洋动力学参数)的监测。与传统的浮标、潜标、海流计等直接探测工具以及卫星遥感和航空遥感等现代监测手段相比,高频地波雷达具有探测范围大、探测精度高、相对投资少、实时性好、可全天候工作等明显的优势,在海洋环境监测、资源开发、海洋工程、气象预报等领域具有重要的应用价值。本论文围绕高频地波超视距雷达海洋表面流探测中的一些问题进行了相关方面的研究,主要工作如下:研究了海洋表面径向流方位的超分辨估计方法。利用高频地波雷达OSMAR2000的实测数据分析了海洋表面流散射信号的相关性,针对相关性对MUSIC算法性能的影响,提出了基于前后向平滑技术和Toeplitz化预处理的海洋表面流方位超分辨估计方案,重点分析了Toeplitz化去相关的原理,最后将提出的方案应用于实测数据,结果表明通过去相关处理可显著提高海洋表面流方位估计性能。研究了海洋表面流方位估计的快速实现方法。首先利用一定条件下Krylov子空间等价于信号子空间的特点,提出了一种改进的基于Lanczos迭代的信号子空间估计方法,与原有的基于Lanczos迭代的方法相比,可以有效降低运算量。为了进一步降低计算复杂度,研究了基于多级维纳滤波技术的信号子空间估计,给出了期望信号的一种新的选取方法,在此基础上提出了一种改进的基于多级维纳滤波前向递推的快速子空间估计方法,该方法不需要期望信号的先验信息,并且与原有的基于多级维纳滤波前向递推的方法相比能够在不增加运算量的同时显著提高低信噪比情况下的估计性能。为了进一步改善估计性能,又提出了基于多级维纳滤波技术与Rayleigh-Ritz逼近的快速子空间估计方法,利用多级维纳滤波前向递推快速求解Krylov子空间的正交基,再利用Rayleigh-Ritz逼近估计信号子空间,其估计性能与传统的特征分解方法相当。最后通过对实测数据的分析可以看到本文提出的快速子空间估计方法都能够取得较好的估计效果。研究了海洋表面流探测中信号源数目的估计方法。首先分析了前后向平滑对噪声特征值分散程度的影响,在此基础上提出了空间平滑的AIC(SSAIC)和空间平滑的MDL(SSMDL),通过空间平滑处理减小噪声特征值的分散程度,从而有效提高信号源数目的正确估计概率。另外还研究了对角加载对噪声特征值的影响,提出了基于空间平滑和对角加载的信号源数目估计方法,并通过仿真实验验证了该方法的有效性。研究了基于分布源的海洋表面流一阶散射建模。首先由海洋表面流散射回波Doppler谱的频率分辨率出发分析了海洋表面流的分布式特性,表明海流应该被视为分布源模型。接下来根据海洋表面Bragg散射机理,提出了基于分布源的海洋表面流一阶散射回波模型,该模型能够有效地表征海流分布式特性,模拟各种条件下海洋表面流的一阶散射回波,为评估不同海洋环境下DOA估计方法的性能提供了有效的工具。利用该模型数值模拟了两种具有不同分布的海洋表面流的散射回波数据,通过海洋表面流反演实验验证了利用广义MUSIC方法进行海洋表面流方位估计的可行性。最后利用广义MUSIC算法分析了高频地波雷达OSMAR2000的实测数据,结果进一步说明了海洋表面流的分布式特性。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-28
  1.1 课题研究的背景及其意义  12-14
  1.2 高频地波超视距雷达发展概述  14-16
    1.2.1 国外高频地波超视距雷达发展概述  14-15
    1.2.2 国内高频地波超视距雷达发展概述  15-16
  1.3 高频地波雷达信号处理现状及存在的主要问题  16-20
    1.3.1 海洋表面流方位估计方法  16-17
    1.3.2 方位估计的快速实现算法  17-18
    1.3.3 信号源数目估计方法  18-19
    1.3.4 海洋表面流一阶散射建模  19-20
  1.4 本文的主要内容  20-21
  本章参考文献  21-28
第二章高频地波雷达海洋表面流探测  28-40
  2.1 引言  28
  2.2 高频电磁波与海洋相互作用  28-32
    2.2.1 一阶相互作用  29-32
    2.2.2 二阶相互作用  32
  2.3 海洋表面流流图获取  32-34
  2.4 海洋表面径向流方位估计方法  34-37
    2.4.1 波束形成技术  35
    2.4.2 定向算法  35-36
    2.4.3 空间谱估计技术  36-37
  2.5 本章小结  37
  本章参考文献  37-40
第三章高频地波雷达海洋表面流测向技术  40-58
  3.1 引言  40-41
  3.2 回波信号模型  41
  3.3 阵列输出预处理  41-43
  3.4 具有相同Doppler 频移的海洋表面流散射信号相关性分析  43-44
    3.4.1 海洋表面流散射信号相关性测量方法  43
    3.4.2 相关性实验分析  43-44
  3.5 基于前后向平滑技术的方位估计方法  44-47
    3.5.1 MUSIC 算法  44-45
    3.5.2 前后向平滑技术  45-47
  3.6 基于Toeplitz 化的方位估计方法  47-51
    3.6.1 Toeplitz 预处理方法  47-50
    3.6.2 仿真与分析  50-51
  3.7 实测数据的处理与分析  51-55
  3.8 本章小结  55-56
  本章参考文献  56-58
第四章海洋表面流方位估计的快速算法  58-82
  4.1 引言  58-59
  4.2 基于Lanczos 迭代的快速子空间估计方法  59-66
    4.2.1 Lanczos 算法  59-60
    4.2.2 基于Lanczos 迭代的快速子空间分解方法  60-61
    4.2.3 改进的基于Lanczos 迭代的快速子空间分解方法  61-65
    4.2.4 复杂度及性能分析  65-66
  4.3 基于多级维纳滤波的快速子空间估计方法  66-76
    4.3.1 多级维纳滤波方法  66-69
    4.3.2 基于多级维纳滤波前向递推的子空间快速估计及其改进算法  69-72
    4.3.3 仿真实验及分析  72-75
    4.3.4 复杂度及性能分析  75-76
  4.4 海洋表面流方位估计的快速实现  76-78
    4.4.1 快速海流方位估计的实现步骤  76-77
    4.4.2 实测数据处理与分析  77-78
  4.5 本章小结  78-79
  本章参考文献  79-82
第五章海洋表面流方位估计中信号源数目的研究  82-100
  5.1 引言  82
  5.2 基于AIC 准则和MDL 准则的信源估计方法  82-84
  5.3 基于空间平滑的信号源数目估计方法  84-91
    5.3.1 基于空间平滑的噪声特征值分析  84-86
    5.3.2 基于空间平滑的信号源数目估计方法  86-88
    5.3.3 仿真实验及分析  88-91
  5.4 基于空间平滑和对角加载的信号源数目估计方法  91-96
    5.4.1 对角加载的AIC 和MDL 方法及性能分析  91-93
    5.4.2 基于平滑和对角加载的AIC 和MDL 方法  93-94
    5.4.3 频域仿真实验及分析  94-96
  5.5 本章小结  96-97
  本章参考文献  97-100
第六章基于分布源模型的海洋一阶散射建模  100-114
  6.1 引言  100-101
  6.2 基于分布源的海洋一阶散射回波模型  101-104
    6.2.1 分布式信号模型  101
    6.2.2 基于分布源的海洋一阶散射回波模型  101-104
  6.3 基于广义MUSIC 方法的方位估计  104-108
    6.3.1 基于广义MUSIC 算法的DOA 估计  104-105
    6.3.2 仿真实验与分析  105-108
  6.4 海洋表面流反演  108-111
    6.4.1 简单海流分布情况下海洋表面流反演  108-109
    6.4.2 复杂海流分布情况下海洋表面流反演  109-110
    6.4.3 实测数据处理与分析  110-111
  6.5 本章小结  111-112
  本章参考文献  112-114
第七章总结与展望  114-116
  7.1 总结  114-115
  7.2 展望  115-116
致谢  116-117
作者在读期间的研究成果  117-119

高频地波超视距雷达海洋表面流探测方法研究

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