随着宇航和电子科技的进步,雷达技术已经在越来越多领域获得了广泛应用。在航空航天领域,雷达对整个航天系统的正常运作尤其重要。然而随着航空航天飞行器的迅速发展,人们对雷达系统的要求也随之提高,传统雷达将远远不能满足实际应用的需求,因此,亟需探究和研制适合新式航天器的雷达。近几十年来,空天飞行器的研制和试飞受到了航天领域的广泛关注,各式各样的空天飞行器飞速发展,对雷达信号处理提出了新的挑战。2006年11月,某大国首次公开表示实施“全球两小时打击计划”,这项计划的载体即是临近空间高超声速飞行器这一新式武器,这在全球范围内引起了很大的轰动;次年,该国又在原有的基础上把原有的两小时计划缩减为一小时,提出“全球一小时打击计划”,这足以说明高超声速临近空间飞行器作为新式武器的地位和作用。与此同时,各国展开了关于临近空间高超声速飞行器的各种研究,其中高超声速飞行器的控制与导航技术占主要部分。本文从雷达角度出发,以“临近空间高超声速飞行器载雷达目标检测方法”为主题展开研究,“临近空间平台”是国家自然科学基金项目“基于空间平台的空间目标检测、成像与识别方法研究”的重要研究内容。高超声速临近空间飞行器作为雷达平台是一项创新,在全世界范围内受到了极大关注。同时,高超声速临近空间飞行器控制和导航技术也在快速发展。本文也借鉴了控制与导航的基础研究,从飞行器的运动特性出发,得到一个基础稳固、系统完整的体系。本文的主要研究内容、方法和结果包括以下几个方面:1、首先确定临近空间高超声速飞行器的运动特性,研究发现高超声速平台具有高速、机动的特点。通过从力学角度出发,基于牛顿第二定律和空气动力学理论,对高超声速临近空间飞行器巡航段和再入段进行受力分析,提出临近空间高超声速飞行器2D-FDM(Two Dimension-Flight Dynamics Modeling)模型,得到了该模型下飞行器运动状态的解析表达式。该模型在巡航段受力分析中加入了气动升力和气动阻力;并在再入段基于最小功耗原理,重新假定了发动机控制力的作用方向,导出了该模型下运动状态的显示表达式。仿真结果显示利用该模型得到的轨迹符合高超声速临近空间飞行器运动规律,同时证实了巡航段气动力的作用对整个飞行影响很大不应忽略。并且用多项式拟合法近似得到了高超声速临近空间飞行器飞行轨迹的解析表达,结论为高超声速临近空间飞行器的运行轨迹可以由关于时间的三阶多项式近似,即飞行过程中需要考虑加速度。2、从临近空间高超声速平台的高速飞行特点出发,研究了临近空间高超声速平台对雷达探测带来的问题。发现通常用于传统匀速慢速平台的雷达回波信号“停走停”SAG回波模型并不适用于临近空间高超声速平台雷达。“停走停”回波模型忽略了雷达与目标在一个脉冲持续时间内(简称脉内)的相对运动,因而不能真实反映目标回波特点。针对这一问题,提出了包含脉冲持续时间内雷达和目标相对运动过程的回波模型,即“脉内运动(MPD)回波模型”。将MPD回波模型与SAG回波模型对比,得到结论:如果仍将临近空间高超声速平台雷达回波当作“停走停”模型进行信号处理,高超声速目标回波信号的脉冲压缩输出存在较严重的主瓣偏移和展宽的问题,严重影响了目标信号的积累与检测,MPD模型比SAG模型更能反映雷达和目标间的相对运动,因此临近空间高超声速平台雷达信号处理时应采用MPD模型。对于临近空间高超声速平台雷达回波信号脉冲压缩主瓣偏移和展宽的问题,本文给出了适用于MPD模型的滤波器设计。理论分析和数值仿真表明了高超声速目标的回波信号采用脉内运动模型的必要性。在典型参数下,采用脉内运动模型比采用“停走停”模型的脉冲压缩增益提高3dB以上。3、针对平台机动性和消除地杂波的需求,提出了一种基于数据域的变速平台STAP方法,该方法最大的特点就是能在平台加速(加速度固定且已知)的情况下,将主瓣区的杂波对消。空时自适应处理(Space-Time Adaptive Processing,STAP)是抑制因平台运动导致谱展宽的地物杂波的有效技术,近三十年来受到广泛关注,其中平台运动通常假设为匀速。分析了变速平台情况下地物回波多普勒谱特性,相比传统匀速平台情况,杂波回波的多普勒谱展宽更严重,且展宽程度与阵列朝向、散射点位置以及脉冲积累均有关;特别地,在雷达前视情况下,变速平台对STAP影响最大。因此,变速平台情况下,直接采用传统的STAP方法,其杂波抑制性能,尤其主杂波区的性能变差,严重降低慢速目标检测性能。对此,提出一种基于数据域的补偿方法,通过构造补偿矩阵,抑制加速度在相位上产生的增量,从而减轻杂波的多普勒谱展宽。仿真结果表明,所提方法可使杂波多普勒谱变窄、提高STAP的杂波抑制改善因子,从而提高慢速目标的检测性能。4、根据2得到的结论,研究了存在脉内运动时,高超声速平台雷达对目标的长时间积累问题。本文从SAR成像原理出发,把高速平台雷达对地面目标的聚焦问题在距离向和方位向两维域进行研究。仿真表明在MPD建模情况下,目标散焦严重。进而提出了基于MPD的目标积累方法,该方法基于雷达成像ω-K算法,采用更精确的MPD模型对目标聚焦效果进行研究,得到了一组适用于临近空间高超声速平台雷达的滤波器,并对滤波器进行了定义。之后本文从模糊函数的角度对比,证明了在目标长时间积累方面,临近空间高超声速飞行器平台雷达性能低于匀速平台和低速平台雷达。此外,还对二维积累结果进行了定量分析,给出了距离方位两维的脉冲响应宽度IRW的展宽情况;并分析了不同雷达参数下,距离向和方位向两维积累结果的峰值旁瓣比PSLR、积分旁瓣比ISLR等系统参数变化趋势。最后分析了所提算法的运算复杂度,分析表明,在相同的运算复杂度情况下,所提处理方法能够有效改善临近空间高超声速飞行器载雷达的目标聚焦失真问题。