Contents 5.3.1 MF-D MIMO radar signal model ................................................................... 82 5.3.2 MF-D MIMO model CS matrix construction ................................................ 83 5.3.3 MF-D MIMO model CS algrithm procesing ................................................. 83 5.4 Distribution phase error influence on location accuracy ....................................... 84 5.4.1 2-D matched filter processing ........................................................................ 85 5.4.2 CS signal processing ...................................................................................... 88 5.4.3 Position accuracy analysis.............................................................................. 89 5.4.4 System spatial resolution analysis .................................................................. 89 5.4.5 Multi-frequency and single frequency CS Matrix ......................................... 89 5.4.3 Target RCS affects on distribution system ..................................................... 89 5.5 Summary ............................................................................................................... 95 Conclusions .................................................................................................................... 97 References ....................................................................................................................... 99 Papers published in the period of Ph.D. education .................................................. 109 Statement of copyright and Letter of authorization ................................................. 111 Acknowledgements ...................................................................................................... 112 Resume .......................................................................................................................... 113
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第1章 绪论 第1章 绪论
1.1 课题来源及背景
高频雷达是第二次世界大战以来雷达研究领域最有意义的成果之一。它独有的大范围全天候实时探测、经济实用的优势特点，使其无论在海洋警戒、监视，海面舰船目标和空中飞行目标的检测和跟踪，还是民用资源开发、海洋环境监测和海态遥感方面都得到了广泛应用。近几十年来濒海国家纷纷致力于相关技术的研究。
就雷达本身而言要克服地球曲率的影响则非易事。一般的微波雷达架设于地球表面，对低空和海面目标的探测能力被局限在无线电视距范围之内。除了在地面布放更多的低空补盲雷达，正确部署雷达网，发展机载、星载预警系统外，采用超视距雷达是一个经济适用的方法。超视距雷达不受地球曲率影响，可以探测雷达站为基准的水平视线以下目标的特种雷达体制，高频地波超视距雷达较好解决低空与海面目标突防问题。尽管目前高频地波雷达的距离和方位分辨率较差，定位精度不够理想，不能完全满足指挥、引导武器系统进行拦截和战斗的要求，但其覆盖范围大，单位面积所需成本低，探测低空、海面远距离目标及隐身目标的能力，目前尚无其他雷达系统可以取代。
HFSWR(High Frequency Surface Wave Radar，高频表面波雷达)工作频率范围为3~30MHz，由于该波段的电磁传播的特殊性，高频地波雷达与常规微波雷达相比有很多显著的特点，其特点具体表现在以下几个方面：
1.探测距离远：高频地波超视距雷达工作在短波频带，垂直极化波对地球表面有很好的绕射特性，这使得地波雷达可以实现对视距以外舰船目标的探测，中、大型舰船探测距离可达400km，飞机为200~300km，掠海导弹为150km，同时覆盖角度可以达到?60°的区域范围。
2.反隐身：目前美国已装备的F22和F35飞机具有很好的隐身性能。隐身技术主要包括两个方面：一是材料隐身技术；另一个方面是目标的外形结构设计。以上的隐身技术均是针对某些频段和方向。一般隐身的材料主要针对1-20GHz的某一频段，无法实现全频段全方位的隐身。尤其对于高频波段，涂有隐身涂料的目标则失去了隐身特性；此外现有的飞机隐身结构也无法实现该波段下隐身。一般海上目标的散射特性处于瑞利区的后段和谐振区内。因此从频域角度考虑，高频雷达具有很强的抗隐身能力，例如某隐形飞机的微波段雷达RCS为0.1m量级，而高频
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哈尔滨工业大学工学博士学位论文 波段RCS比常规雷达高1~2个数量级，“隐身”目标在高频段的RCS比微波雷达工作频段下高出20~40dB。
3.较强的抗干扰性：高频雷达相对带宽很宽，可达几个倍频程，发射信号带宽很窄。敌方很难在如此宽的频带内实现全频干扰，很容易避开敌方的干扰。
4.较高速度分辨力：为了保证HFSWR具有较远的探测能力，一般通过较长的相参积累周期来实现，对于空中目标的积累时间是10~20s，海上目标积累时间是几分钟。因此对于空中目标的速度分辨力可达0.75~1.5m/s，海面目标为0.08~0.16m/s。
相对于天波超视距、空中预警系统、飞艇预警系统等超视距系统造价均较昂贵，运行费用高，且环境因素的影响较大，很难实现全天候的工作。高频地波超视距雷达利用海面对高频信号的绕射特性实现超视距探测，其传播信道相对稳定，可全天候工作，造价低廉。
高频雷达具备很多优势的同时，也面临着很多挑战：HFSWR工作频带范围内，被很多不同类型的用户占用频带资源。因此，高频雷达工作的电磁环境复杂，可以利用干净频带呈离散随机分布，比较难找到一个大的干净的带宽；高频雷达工作频率下海面目标的散射特性处于谐振区、瑞利区后段内。当目标单方向接收回波时，目标的能量动态范围很大，多达10多个dB；由于距离和角度分辨力差，海杂波背景下，目标极易被淹没；由于高频雷达的工作频率较低（波长相对较长），为满足雷达系统威力范围、分辨等性能的要求，收发天线阵列孔径的尺寸较大，特别是接收天线阵列，可以达到公里级别，该特性也是目前影响地波雷达发展和应用的主要因素之一。较长的雷达阵地，易被侦查卫星发现，而遭受导弹袭击；另外，当载荷平台较短时，雷达系统性能严重受限于有限的阵列长度。
近年提出MIMO体制雷达，主要利用分集的思想来提高雷达系统性能。将MIMO模型与高频雷达相结合可以很好的弥补高频雷达的不足，有效改善高频雷达性能。一般的，MIMO体制雷达包括两种基本形式——分布式和集中式。分布式MIMO雷达模型采用大间隔形式布放传感器，传感器距离远大于半个波长，通过多方向角度照射，多角度收集回波信号，旨在克服目标闪烁，同时大间隔的阵列布放形式有利于提高系统空间分辨能力[1]，当个别传感器失效时，系统性能影响并不大，提高了系统的容错性和稳定性。另一种集中式MIMO雷达模型采用集中式布放多波形发射技术，通过虚拟阵列技术应用，较少的阵元数目就可以获取较大的阵列孔径，不仅提高系统角度分辨力，还有效降低系统成本。MIMO技术应用于高频地波雷达可增加系统的灵活性，分集技术应用可有效利用频谱，时间，空间资源。MIMO雷达与高频雷达的优势互补可以体现于以下几个方面：
1.波形设计：通常高频地波雷达工作频率范围内，充满了广播、点对点通信、
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第1章 绪论 以及空中海上移动通信等不同类型的用户。因此，为了能使HFSWR在恶劣的电磁环境中正常工作，需要结合频谱监测系统，寻找无干扰的信道。MIMO雷达采用多天线波形分集的发射技术[2]，可以更灵活有效利用的离散高频带资源，使高频地波雷达系统可以灵活采用多载频发射信号，为非连续谱信号的波形设计提供更大的自由度。
2.分辨力：HFSWR受天线孔径和频谱资源的限制，通常较难获取高的距离和方位分辨力。集中式MIMO雷达虚拟阵列及分布MIMO模型的引入，可以大大改善距离和角度分辨力。文献[1]指出分布式布放传感器时，MIMO雷达距离分辨率与载波波长有关，当传感器布放在观测区域一周时，观测区域的分辨力可以达到
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3.改善信杂比：海杂波影响大，一类是高频电磁波和海浪波之间共振而产生一阶bragg峰，另一类是二阶回波背景谱，比一阶回波谱低30-45dB。通常当舰船目标落入bragg峰附近时，目标回波能量不占优时就会被淹没丢失。MIMO雷达角度和距离分辨力的提高，可相对提高分辨单元内目标回波的能量，一定程度上可以改善SCR。
4.资源管理：MIMO雷达体制的有效应用可以增加高频雷达系统对时间、空间、频率管理的自由度，及干扰环境下雷达生存能力。随着高频雷达天线的小型化，更增加高频雷达系统的灵活性和机动性。
MIMO体制的提出很好的弥补高频地波雷达的自身不足，为高频地波雷达的发展应用提供了更广阔的空间。因此，MIMO技术与高频雷达相结合的信号处理研究具有重要意义。本课题的研究得到十二五预研的支持。
1.2 MIMO雷达国内外研究现状
雷达目标具有明显的闪烁特性，当目标姿态角度及发射载频变化都将导致雷达目标截面积(RCS)剧烈起伏。这种目标的起伏与移动通信的信道衰落类似，单方向观察目标情况下，被认为无法克服的损失，严重影响常规雷达的探测性能。借鉴MIMO技术在通信领域发展和MIMO技术所体现的优势，雷达设计师把MIMO概念应用于雷达信号处理和目标探测。传统系统单信道发射接收的SNR变化明显；而在MIMO通信系统中，发射机彼此相互独立，不同信道下统计特性也彼此独立，对于所有接收机获得的总体信噪比接近恒定。MIMO 雷达将多方向不同传播路径回波信号能量的综合，使目标回波能量近似恒定，在信号检测能力上较传统雷达有明显优势。因此通过频率、角度、波形分集技术将多方向接收的信号有效叠加，统计意义下可以提高雷达检测概率，杂波背景下目标的可见度。
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