全極化雷達(dá)目標(biāo)檢測與參數(shù)估計方法研究.pdf

1、極化信息的獲取和利用對提高雷達(dá)目標(biāo)的檢測和參數(shù)估計性能具有重要作用，在氣象觀測、對地遙感偵察和防空反導(dǎo)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。當(dāng)前，信息技術(shù)的進(jìn)步推動極化雷達(dá)快速發(fā)展，表現(xiàn)在：一方面，雷達(dá)天線技術(shù)和數(shù)字計算技術(shù)的發(fā)展催生了具有收發(fā)極化優(yōu)化能力的全極化雷達(dá)。另一方面，信息測量手段的提高和信息來源途徑的多樣化使得人們能夠掌握目標(biāo)和環(huán)境的部分先驗信息，發(fā)展基于知識輔助的自適應(yīng)雷達(dá)系統(tǒng)。若能有效利用目標(biāo)和環(huán)境的先驗信息，同時對雷達(dá)波形和收發(fā)極化方

2、式進(jìn)行優(yōu)化，有望實現(xiàn)對目標(biāo)的“匹配照射”，獲取比傳統(tǒng)極化雷達(dá)更好的目標(biāo)檢測和參數(shù)估計性能。為此，亟需發(fā)展新的信息獲取方法和測量體制條件下的信號處理技術(shù)。本論文面向全極化雷達(dá)系統(tǒng)，以波形自適應(yīng)設(shè)計和收發(fā)極化優(yōu)化為手段，通過對目標(biāo)和環(huán)境信息的有效利用，深入研究了雷達(dá)目標(biāo)的檢測和參數(shù)估計方法，并利用目標(biāo)的暗室測量數(shù)據(jù)和雜波實測數(shù)據(jù)對研究成果進(jìn)行了驗證，主要研究成果包括：
　　在目標(biāo)檢測方面，針對目標(biāo)、雜波先驗信息部分已知和完全未知兩種情

3、形，分別研究了基于收發(fā)極化優(yōu)化的信雜噪比改善方法和目標(biāo)檢測算法。
　　1.針對目標(biāo)和雜波先驗信息部分已知的情形，基于廣義分式規(guī)劃理論，設(shè)計了一套發(fā)射波形和接收濾波器組迭代優(yōu)化算法。該算法以濾波器組（其中每個濾波器對應(yīng)某一特定視線角）輸出最小信雜噪比為優(yōu)化準(zhǔn)則，同時要求發(fā)射波形滿足功率約束和相似性約束條件，優(yōu)化的目的即最大化這個最小信雜噪比。在性能分析環(huán)節(jié)，利用實測數(shù)據(jù)驗證了算法的有效性，系統(tǒng)分析了雷達(dá)視線角不確定范圍、濾波器規(guī)模等

4、因素對信雜噪比的影響，并對比了該算法與現(xiàn)有典型算法間的性能差異。分析表明，發(fā)射波形和接收濾波器聯(lián)合優(yōu)化的全極化雷達(dá)較波形固定的傳統(tǒng)極化雷達(dá)、發(fā)射波形和接收濾波器聯(lián)合優(yōu)化的單極化雷達(dá)均有顯著的輸出信雜噪比得益；而在整個視線角不確定區(qū)間內(nèi)，本文的濾波器組方法較現(xiàn)有全極化發(fā)射波形和濾波器聯(lián)合優(yōu)化方法表現(xiàn)出更平穩(wěn)的信雜噪比性能。
　　2.針對目標(biāo)和雜波先驗知識均未知的情形，建立了發(fā)射極化可變的矢量測量系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，基于廣義似然比檢測方法

5、提出了一種非高斯雜波背景下目標(biāo)的極化檢測算法。從理論上推導(dǎo)了該檢測器的檢測性能表達(dá)式，指出了它的恒虛警屬性以及發(fā)射極化矢量與檢測性能之間的對應(yīng)關(guān)系。設(shè)計了矢量測量條件下的性能分析實驗，對非高斯雜波背景下的低速目標(biāo)檢測場景，該檢測算法比另外兩種典型極化檢測器的抗雜波非高斯性更強(qiáng)；給定虛警概率條件下，該算法較上述兩種檢測器的檢測性能更好，接近目標(biāo)和雜波參數(shù)已知的最優(yōu)極化檢測器。比較了極化方式優(yōu)化與極化方式固定系統(tǒng)間的性能差異，結(jié)果表明，在給

6、定虛警概率條件下，經(jīng)極化優(yōu)化后的測量系統(tǒng)比傳統(tǒng)極化雷達(dá)具有更好的檢測性能。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對比了矢量測量與標(biāo)量測量方式間的檢測性能差異，結(jié)果證實，經(jīng)發(fā)射極化優(yōu)化的矢量測量系統(tǒng)和收發(fā)極化聯(lián)合優(yōu)化的標(biāo)量測量系統(tǒng)間的檢測性能相當(dāng)。
　　在目標(biāo)參數(shù)估計方面，在建立標(biāo)量測量系統(tǒng)的模型基礎(chǔ)上，以目標(biāo)散射矢量估計的均方誤差為優(yōu)化準(zhǔn)則，給出了基于收發(fā)極化優(yōu)化的目標(biāo)散射矢量最優(yōu)估計問題的數(shù)學(xué)形式。對于如何求解該優(yōu)化問題，指出并證明了美國華盛頓大學(xué)

7、學(xué)者J. Xiao方法的錯誤，隨后提出了一種基于序貫估計的收發(fā)極化聯(lián)合優(yōu)化算法。該算法具有多項式級計算量，隨著序貫次數(shù)的增加，經(jīng)收發(fā)極化優(yōu)化后的估計誤差單調(diào)遞減并收斂于穩(wěn)定點(diǎn)。進(jìn)一步將該極化優(yōu)化方法推廣至矢量測量系統(tǒng)，并給出了相應(yīng)的發(fā)射極化優(yōu)化流程。數(shù)值仿真方法和實測數(shù)據(jù)分析均表明，為取得同一估計誤差，聯(lián)合收發(fā)極化優(yōu)化標(biāo)量測量對信雜噪比的要求<發(fā)射極化優(yōu)化標(biāo)量測量系統(tǒng)<收發(fā)極化方式固定的標(biāo)量測量系統(tǒng)；而經(jīng)發(fā)射極化優(yōu)化后的矢量測量系統(tǒng)和收