米波雷达低仰角估计方法研究

米波雷达在反隐身、抗反辐射导弹等方面具有独特的优势，使其近年来受到世界各国的普遍重视。但由于米波波长较长，受雷达天线尺寸的限制，米波雷达天线主瓣波束较宽，角分辨率差。在探测低仰角目标时，米波雷达接收信号中除了直接从目标反射回来的信号外，还有从地（海）表面产生的镜面反射和漫反射等多径信号。多径效应会影响米波雷达对低空目标的仰角测量精度，进而造成对目标的定位与跟踪性能下降，严重时甚至会丢失目标。目前，虽然很多学者对雷达低仰角估计技术进行了深入细致的研究，也取得了一些突破和成果，然而还有许多技术问题没有得到完全解决。如何有效提高米波雷达在低仰角区的测角精度至今仍然是雷达界的一个难题。本文在前人工作的基础上，结合承担的科研项目，对基于常规阵列的米波雷达、米波多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）雷达以及基于电磁矢量阵列的米波雷达在低仰角估计中遇到的相关问题，主要从多径信号解相关、降低运算量、改善角度估计精度等方面进行了探讨和研究，具体工作概括如下：1.分析了米波雷达多径回波模型。介绍了多径效应产生的原因；建立了低仰角目标的回波信号模型，回波信号主要包括直达波信号、镜面反射波信号和漫反射波信号；同时，还分析了影响镜面反射系数和漫反射系数的主要因素，包括频率、极化、表面类型、表面粗糙度、地球曲率等。2.研究了基于子空间的米波雷达低仰角估计方法。基于广义多重信号分类（Multiple Signal Classification，MUSIC）算法，提出了一种目标仰角和多径衰减系数联合估计的算法。该算法在角度搜索过程中，首先通过阵列接收数据的协方差矩阵与搜索角度计算出虚拟的多径衰减系数，然后将其与搜索角度一起构造子空间，当该子空间与噪声子空间正交时，对应的角度即为目标仰角，对应的系数即为真实的多径衰减系数。该方法可以在未知目标角度的情况下，经过一次角度搜索，即可同时估计波达方向和多径衰减系数。利用多径衰减系数可以进一步计算得到镜面反射系数。该算法不损失阵列孔径，且不要求阵列具有特殊结构。3.研究了时空级联的米波雷达低仰角估计方法。针对现有时空级联最大似然算法运算量较大的问题，提出了一种基于矩阵束的雷达低仰角估计的时空级联算法。该算法先根据已获得的目标距离和速度信息对接收到的信号进行积累，这样每个接收阵元只获得一个样本数，然后利用单样本数的阵列信号矢量构造矩阵束，最后利用广义特征值分解的总体最小二乘法直接求解目标的仰角。该算法可以有效地克服多径效应，不需要估计协方差矩阵，避免了角度搜索，运算量小。4.研究了存在互耦误差下的米波雷达低仰角估计的校正方法。针对实际阵列中互耦误差的存在严重恶化超分辨算法估计性能的问题，建立了存在互耦情况下的米波雷达低仰角目标的回波信号模型，并提出了一种互耦条件下米波雷达波达方向估计的自校正算法。该算法利用均匀线阵互耦矩阵为Toeplitz矩阵的特点，对接收数据协方差矩阵的信号参数形式进行变换，并基于子空间原理获得目标波达方向估计的角度搜索函数。另外，利用该算法还可以同时计算出与目标相对应的镜面反射系数和阵列的互耦矩阵。与同类校正算法相比，在存在多径相干信号和未知互耦矩阵的情况下，该算法不损失阵列孔径，不需要辅助阵元和校准源，也不需要高维搜索和迭代运算。5.研究了米波MIMO雷达对低仰角目标的角度估计方法。针对MIMO雷达在低仰角估计中运算量大的问题，提出了基于波束空间预处理的最大似然算法和广义MUSIC算法。该类算法先后在接收端形成接收波束和“发射波束”，进而在波束域中对存在多径下的目标进行角度估计。首先结合米波MIMO雷达低仰角目标的回波特点，建立了同时考虑发射多径和接收多径的信号模型。其次，提出了基于波束空间的米波MIMO雷达角度估计的最大似然算法。然后，推导了存在多径下MIMO雷达低仰角估计的克拉美·罗界。最后，为了进一步降低运算量，提出了基于波束空间的米波MIMO雷达角度估计的广义MUSIC算法。基于波束空间预处理的算法在保持米波MIMO雷达阵元空间处理的角度估计精度的基础上，大大减少了运算量。6.研究了基于电磁矢量阵列的米波雷达低仰角估计方法。首先，建立了电磁矢量阵列的接收信号模型。然后，提出了一种利用电磁矢量阵列估计相干信号波达方向和极化参数的方法。该方法利用回波数据构造一个二阶统计矩阵，并用其奇异值分解后的结果构造矩阵束，从而得到目标的仰角，同时还可以估计信号的坡印廷矢量，从而计算得到目标的方位角、极化参数和解仰角估计模糊。该方法在采用一维线性阵列的情况下，能够估计二维角度，阵元间距可以大于半波长，且不需要角度搜索，运算量小。最后，建立了电磁矢量阵列接收多径信号的模型，并给出所提算法在米波雷达低仰角估计中的应用。该方法可以有效克服多径效应对角度估计的影响。