低空突防是威胁雷达探测性能的重要因素之一,在现代战争中,敌方战机和导弹经常利用地形作掩护,采取低空飞行方式逼近目标阵地,利用地形的遮挡来躲避雷达和防空武器,降低了雷达测量和跟踪性能。雷达在探测低角目标时,雷达正常接收打到目标上并反射回来的雷达回波信号,此外打到地面、海面等的雷达波也会产生镜面反射和漫散射,这些回波也被雷达接收后就产生了多路径效应。此时直达波信号与多径信号在接收端表现为相干叠加,使得雷达接收信号在幅度和相位上发生变化,严重情况下反射信号与直达信号会相消,大大降低了低角目标检测概率和测量精度。本论文围绕低空多径目标检测和测高中的关键问题和技术难点展开研究,针对多频融合低空目标检测、低空目标高度与反射面高度联合估计、基于地形反射系数估计的目标测高方法以及多输入多输出模式下的低空目标测角等问题,提出了相应的信号处理算法,具体内容如下:1.首先介绍了低角目标多径传播的反射系数,反射系数在低角目标检测和高度测量中是个至关重要的参数。分析了地面反射系数的主要组成及其影响因素。然后构建低空目标四路径多径回波的检测模型,研究了多路径的回波幅度会随天线高度、目标高度、发射频率等近似周期变化的特性。最后建立了多通道数字阵列的低空目标仰角测量模型,分析了多径回波对目标仰角测量的影响,还分析了常用的低空目标仰角测量方法,包括常规低空测角方法和阵列角度超分辨方法,并指出各种方法应用的限制条件。2.提出了一种基于顺序统计和非相参积累的低角目标检测方法。雷达接收到的低角目标的回波信号幅度近周期性的变化,这正是受到了多径反射的影响,此时常规雷达目标检测性能会明显下降,甚至无法检测。采用超宽频带工作的雷达,充分利用足够多的频率分集,可以达到平均意义上的恒虚警目标检测概率。目前常用的雷达频率分集方法是采用频率捷变技术,N个频率中K个检测到目标即可确认目标。根据虚警概率和检测概率的不同要求,合理的选择K和N,即可在恒定虚警下提高低空目标的检测概率。相比K/N检测器,非相参积累方法有望获得更好的检测性能,然而在低仰角目标检测中,由于在某些频点上存在严重的多径相消现象,导致某些频点回波SNR很低,这些回波不仅不会对系统性能有贡献反而会降低整个系统的增益。本章提出一种基于顺序统计和非相参积累的新检测方法,仅采用一些具有较强能量的单元用于非相参积累,并且最优积累单元个数可以通过分析精确得到,获得了良好的低角目标检测性能。3.提出了一种基于投影梯度的目标与反射面高度联合估计方法。采用传统阵列超分辨方法,如极大似然算法或子空间方法,得到的测量精度无法满足现代雷达的需求。高确定极大似然算法具有很高的角度估计精度,但是需要反射面高度和地面反射系数先验已知,并且该算法对反射面高度误差非常敏感。针对上述已有算法的不足,本章提出了一种针对低角度雷达的目标与反射面高度联合估计方法,该算法能够消除目前多径测高算法对先验反射面高度的依赖,提高雷达在多径环境中的测角精度,同时获得反射面的高度信息,实现对低空飞行目标的稳定跟踪。4.提出了一种基于反射系数的稳健低空目标测高方法。目前传统的阵列超分辨方法达不到雷达对低空目标的测高要求。而地面精确模型虽然理想条件下可以获得很高的测量精度,但要求天线高度、反射面高度、反射系数等先验信息,这在实际中常常难以满足,所以对地形稳健的低角目标测高方法是非常重要的。本章方法首先基于数据估计复合的地面反射系数,然后利用目标角度和镜像角度关系,设置复合导向矢量进行高度测量。高度测量的精度与复合反射系数有紧密的关系,由于利用数据获得复合散射系数,对于反射面高度的误差并不敏感,而由于地形的高度精度造成目标角度和径向角度之间的大小的差异几乎可以忽略,因此本章算法虽然也利用卫星数字高程模型图的信息,但对于反射面高度误差却并不敏感,实现了算法的稳健性。5.提出了一种针对任意阵结构MIMO雷达的低角目标仰角估计算法。为了提高阵列雷达的角分辨能力,研究了利用MIMO体制进行孔径扩展提高目标角分辨能力,从而提高低空目标的仰角测量精度。该算法通过采用阵列插值技术,将MIMO天线的导向矢量变换为虚拟的低维线性阵列结构导向矢量;之后,采用拟空间平滑算法对该等效虚拟均匀线阵提取相参源;最后,采用多项式求根算法来代替角度搜索进行进一步处理,从而降低计算复杂度。