基于多扫频的高频地波雷达波形设计与实现

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高频地波雷达是一种利用垂直极化电磁波实现海洋表面超视距探测的雷达技术,目前已广泛应用于全天候、大面积、高精度、实时海洋表面动力学参数探测,同时还能实现海面舰船跟踪和低空/超低空飞行目标突防。经过近五十年的发展,高频地波雷达系统得到了重大改进,最初的500m大型天线阵已演变为SeaSonde雷达的单极子/交叉环天线,模拟混频的超外差接收机已逐步被全数字雷达系统取代,大时间带宽积的线性调频信号也大大降低了简单脉冲信号的峰值功率。但是随着科学技术的发展,无论是海洋环境探测和军事应用,均对高频地波雷达提出了更高的要求,现有的雷达信号体制在实际应用中也逐渐凸显出了它的不足:1)不同配置的高频地波雷达均只能完成单一任务,而实地环境的限制,要求硬件平台多功能化,例如需要同时实现近距离的舰船探测和远距离海流监测。2)高频雷达应用于海洋探测时,较强的高频电磁波会给其他电子设备带来干扰,因此其发射峰值功率常受到无线电管理委员会的限制,而军事应用中高频雷达需要满足低截获概率的要求,同样需要峰值功率更低的雷达波形。3)高频段众多的无线电台导致严重的射频干扰,而现有的单扫频信号抗干扰能力弱,一旦有强干扰混入,将会完全掩盖距离多普勒谱中的有用信息,严重影响雷达探测性能。针对上述问题,本文在充分研究了高频地波雷达单扫频信号体制的基础上,设计了一种时间频率复用的多扫频信号。主要的研究工作包括如下内容:1)认识雷达信号分辨理论,提出了一种基于时频分布的脉冲压缩新认识,将雷达信号脉冲压缩分为时间压缩和频率压缩两种,这种新的认识有利于更加简洁地理解雷达信号特性,为不同雷达信号的脉冲压缩提供理论指导。2)从现有高频雷达的波形出发,详细分析了单扫频波形的特性和设计方法,为新波形设计作铺垫。线性调频中断连续波(FMICW)是传统高频雷达中的常用信号,本文推导了其模糊函数表达形式,并给出不同处理方式下波形约束和FMICW信号的分辨率。针对不同长度中断脉冲对回波抑制作用的差异,本文设计了一种基于非均匀中断脉冲的FMICW信号,以达到兼顾近处目标检测和远距离海流探测的目的。3)提出了一种时间频率复用多扫频信号,与单扫频信号相比,新波形通过在特定时间带宽范围内复用多个扫频信号,降低了雷达信号的峰值功率谱密度。此外,新波形将能量更均匀地分布在时频域,使得被干扰的概率减小。本文重点研究了时间复用多扫频信号(TDMS)和频率复用多扫频信号(FDMS)的模糊特性,提出了混频和三次FFT的脉冲压缩方式,相比于单扫频的stretch+FFT方式,该方法能更加全面地压缩信号能量。相比于匹配滤波的压缩方式,该方法计算量更小,便于实现。4)充分研究了多扫频信号在实际应用中的特性,包括峰均功率比、多普勒容忍性以及抗干扰特性。其中,在峰均功率比方面,本文研究了相位调制和窗函数调制对降低多扫频信号的峰均功率比的作用。在多普勒容忍性方面,以模糊函数主瓣幅度衰减为标准,推导出窄带条件下TDMS和FDMS信号的多普勒容忍界限均为±0.44/T(T为扫频时间)。在抗射频干扰方面,相比于单扫频信号,]DMS使得有用信号被随机干扰的概率降低至单扫频的1/M(M为TDMS复用扫频个数),FDMS信号提高了回波信干比20log10 N dB(N为FDMS复用扫频个数)。5)为了在实际环境中验证新体制波形的性能,本文研制了一套适用于多扫频信号的全数字高频雷达接收机,包括系统软件设计和硬件方案实现。提出了一种时分复用DFT的时频转换方法,和频域卷积加窗的方法,大大将降低了系统运算量和资源消耗量。硬件电路采用射频直接采样+数字脉冲压缩的设计,数字板实现系统控制和脉冲压缩。为了进行收发分离的连续波试验,系统还采用了基于GPS模块的时钟同步方案。试验室闭环测试表明,模拟前端增益39dB,灵敏度为-125dBm,隔离度大于100dB。单系统相位稳定度为0.05度,双基地相位稳定度为12度,系统指标满足应用要求。6)在单基地现场试验中,复用扫频的直达波旁瓣叠加产生了间断式的距离谱,因此考虑收发分离的双基地体制以减少直达波影响。在双基地试验中,首先分析了基线距离和岸边风车对雷达回波的影响,然后对比了不同复用个数TDMS信号的回波性能,可知等总功率时,多扫频回波信噪比与单扫频一致,等功率密度时多扫频信号回波的信噪比高出单扫频信号10log10MdB(M为复用扫频个数),从而验证了多扫频信号在高频雷达上的良好性能。
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