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天地波雷达阵列校准及超分辨测角研究

作　者: 童鹏
导　师: 许荣庆
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 信息与通信工程
关键词: 天地波高频雷达 阵列校准 单次快拍 协方差矩阵 超分辨 降维MUSIC
分类号: TN957.51
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


天地波高频雷达由于其独特的传播模式，可以对本国所属海洋区域进行超远距离的探测和监控，可以提供较早的预警时间，也可以对空中与海面的交通进行监视与管理，具有重要的国防、政治、军事、经济价值。但是该雷达体制较新，现今可查的文献资料相对较少。本文针对天地波雷达的阵列校准技术和单次快拍下的超分辨算法进行研究。本文主要对岸基接收的天地波雷达系统进行研究，分析了天地波高频雷达的研究现状，画出了天地波高频雷达的工作方式示意图。对天地波高频雷达采用的线性调频连续波信号的处理过程进行详细的推导，得出了距离-多普勒二维联合处理的信号处理步骤，再加上自适应波束形成，构成了典型的距离-多普勒-方位联合处理流程。并简要分析了这样的处理流程得到的单次快拍在后续的超分辨算法中存在的统计性差的问题。在阵列校准部分描述了理想阵列信号的数学模型以及幅相误差模型。简要的介绍了有源校准和自校准的优缺点，并对两种经典的自校准算法以及待比较的FFT算法的原理进行介绍。之后运用蒙特卡洛仿真的方法，比较了Toeplitz算法、最小二乘（LS）拟合法以及FFT法的性能。对比指标选取为校准后进行DOA估计的偏差均值和均方根误差以及校准后的相位误差的残差。仿真结果表明三种算法在相位误差较小的情况下差别不大，而FFT算法在大相位误差的情况下性能比LS算法和Toeplitz算法更优异。在大相位误差情况下信噪比的改善对校准算法影响很小。最终得到FFT算法鲁棒性更高的结论。对于天地波高频雷达超分辨算法的研究，首先对经典MUSIC算法以及降维MUSIC算法进行了阐述，点出了单次快拍下协方差矩阵估计统计性差的问题。紧接着仿真结果显示了降维MUSIC算法在噪声子空间估计方面有很大的优势，估计出的噪声子空间与信号导向矢量正交性较好。并提出了两种可能的改进方法：时域数据重叠分段法；取多普勒周边算法。经过蒙特卡洛仿真分析，最终得到了一种较优的联合方法，即时域数据重叠分段加降维MUSIC联合方法。仿真结果表明这种联合方法确实能兼具两种算法的优点，在信噪比低的时候有最低的均方根误差，而在信噪比较高的时候一直能保持平稳。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-9
第1章 绪论  9-18
  1.1 研究背景及意义  9-10
  1.2 国内外研究状况  10-17
    1.2.1 天地波雷达发展概述  10-12
    1.2.2 天地波雷达关键技术  12-14
    1.2.3 阵列校准技术  14-16
    1.2.4 高频雷达中的超分辨技术  16-17
  1.3 本课题主要工作与内容安排  17-18
第2章 天地波高频雷达信号处理原理  18-26
  2.1 引言  18
  2.2 天地波雷达收发方式  18-19
  2.3 天地波雷达信号处理基本原理  19-24
    2.3.1 信号处理基本流程  19-20
    2.3.2 信号处理过程理论推导  20-23
    2.3.3 高频雷达体制下存在的问题  23-24
  2.4 本章小结  24-26
第3章 天地波雷达阵列校准  26-46
  3.1 引言  26
  3.2 阵列校准基础  26-29
    3.2.1 阵列信号数学模型  26-28
    3.2.2 误差模型  28-29
  3.3 自校准算法  29-37
    3.3.1 Toeplitz 算法  29-31
    3.3.2 迭代法  31-34
    3.3.3 求斜率法  34-36
    3.3.4 自校准源的选择  36-37
  3.4 计算机仿真  37-43
    3.4.1 DOA 估计偏差均值比较  38-40
    3.4.2 DOA 估计均方根误差比较  40-42
    3.4.3 校准残差均方根比较  42-43
    3.4.4 仿真结论  43
  3.5 实测数据分析  43-44
  3.6 FFT 法改进  44-45
  3.7 本章小结  45-46
第4章 天地波高频雷达超分辨算法研究  46-56
  4.1 引言  46
  4.2 子空间类超分辨算法基础  46-50
    4.2.1 经典 MUSIC 算法  47-48
    4.2.2 降维单次快拍 MUSIC 算法  48-50
  4.3 单次快拍下算法比较  50-55
    4.3.1 单次快拍下子空间估计性能  50-51
    4.3.2 单次快拍算法改进  51-55
  4.4 本章小结  55-56
结论  56-57
参考文献  57-62
致谢  62

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 雷达 > 雷达设备、雷达站 > 雷达接收设备 > 雷达信号检测处理
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