天波超视距雷达(Skywave Over-The-Horizon Radar)利用电离层对雷达电波的折射来探测远距离的目标,但是雷达所收到的目标回波时延所表征的是目标距离雷达的“虚距”,即雷达电波群时延和光速的乘积。因此,为了得到雷达目标的实际位置,必须将目标时延和方位角转换为实际的地理坐标,这一过程叫做坐标配准(Coordinate Registration),对于工作在高频波段的天波超视距雷达,由于得到的雷达回波群时延与天波传播路径特性,即电离层时空特性有关,坐标配准过程是很复杂的。传统的坐标配准过程首先通过电离层建模对雷达工作区域的电离层进行描述,然后利用射线追踪技术仿真计算雷达电波的群路径以及方位角等参数。因此,电离层特性变化对天波超视距雷达坐标配准的影响最大,由于电离层存在不同方式和不同程度的扰动,通过对典型的电离层扰动进行建模,采用参数化的方式描述电离层的不同状态,并对其进行分析是天波超视距雷达坐标配准的关键技术和核心内容。此外,电离层电波传播的多径特性还会使雷达在某些频率工作时,由于电波通过电离层进行传播时,容易产生一个目标出现多个群时延的情况,雷达接收到多个回波而不能够正确判断每个回波的传播模式,导致坐标配准和模式识别的工作变得困难,使配准精度下降,最终导致目标定位误差变大,影响了雷达对目标的定位和跟踪。针对上述两方面的问题,本文首先介绍了电离层电波传播与电离层建模的基础理论,然后在此基础上对天波超视距雷达坐标配准与多径传播问题进行了深入的研究,分别讨论了不同情况电离层扰动和电波多径传播对天波超视距雷达坐标配准的影响,归纳起来,主要完成如下几个方面的工作：第一,基于电离层实测数据,通过参数统计再取样(bootstrap)的方法建立了一种电离层随机扰动(Random Disturbance)模型,在此模型的基础上用数值型射线追踪的方法讨论了电离层随机扰动对天波超视距雷达坐标配准的影响,并提出通过极大似然估计的方法改善这种影响,最后与传统的最小方差法进行了比较。结果表明,电离层随机扰动对高角射线的影响强于低角射线；电离层随机扰动对坐标配准在不同的地面距离上带来5km-30km的地面距离误差,在PD转换图上会对未受扰动影响的PD转换曲线产生偏移；分别比较了由极大似然估计和传统的最小方差估计计算得到的平均绝对误差距离,结果表明,极大似然估计在80%的地面坐标范围内,对电离层随机扰动影响的改善要优于最小方差估计。第二,针对电离层倾斜的不同情况,通过电离层建模和数值型射线追踪详细分析了电离层倾斜对坐标配准的影响。结果表明,当电离层存在较小的倾斜时,电离层倾斜对PD转换没有很大的影响,并不会引入较大的误差,例如当倾斜角度为1°时,在地面距离600km-1300km上,平均误差为5km左右,只是在电离层正倾斜时,高角射线会产生大约10km左右的误差；当电离层存在较大倾斜时,误差将随之增大,本文的计算结果表明,在5°的倾斜时,在地面距离600km-1300km上,平均误差有50km左右,其中对于低角射线的传播,电离层负倾斜的影响要大于正倾斜的影响；对于高角射线的传播,电离层正倾斜的影响要大于负倾斜的影响。第三,利用电离层行进式扰动(Travelling Ionospheric Disturbance)模型和射线追踪技术,详细研究了电离层行进式扰动对天波超视距雷达坐标配准产生的影响。研究结果表明：小尺度行进式扰动对坐标配准影响很小,与原有的坐标配准关系相比,只有0.1km的量级的变化,可基本忽略；中尺度行进式扰动对高角射线的影响大于低角射线,会使得高角射线在坐标配准中产生10km-20km的偏移；大尺度行进式扰动对坐标配准的影响很明显,在某些距离上导致原有的PD变换关系完全无效甚至无法进行PD变换,同时大尺度扰动会产生难以分辨的复杂传播模式,而且还存在屏蔽高角射线、产生电波聚焦、导致雷达工作失效等问题；在考虑到行进式扰动传播方向与电波路径一致的情况下,模拟计算结果表明,行进式扰动对方位角变换的影响很小。在射线频率为13MHz时,平均误差为0.070；在射线频率为17MHz时,平均误差为0.05°,可见行进式扰动对坐标配准中方位角变换的影响可以忽略不计。第四,利用电离层准抛物线(Quasi-Parabolic Segments)模型和解析型射线追踪,分别计算了在寻常波和非寻常波模式下的射线群路径大小,从理论模拟的角度研究了寻常波和非寻常波群时延差的大小,并在实验数据的基础上分析了电离层传播信道互异性和磁离子分裂对天波超视距雷达坐标配准可能产生的影响。第五,针对天波超视距雷达目标探测中的多模传播问题,提出了利用基于隐马尔可夫模型的Viterbi算法,以传播模式为状态序列、群路径为观测序列,对每一次雷达重访下的每个回波进行模式识别,并在此基础上利用Bayes线性模型对每次雷达重访下的目标位置进行估计。通过蒙特卡洛数值模拟表明,该方法在不同的雷达工作频率和电离层存在随机扰动的情况下都具有很高的正确性,且Bayes估计比最小方差估计有10km左右的精度改善。第六,基于国际参考电离层IRI-2001模型和三维数值射线追踪算法,对传统的多径概率数据关联算法进行了改进,提出了一种更接近于真实电离层情况的天波超视距雷达多径数据处理和坐标配准方法,并利用天波超视距雷达目标多径仿真数据,对该算法进行了评估。仿真结果表明,当射线频率为12MHz时,通过改进的概率数据关联算法和准实时的坐标配准得到的目标地面距离的估计与真实的目标航迹相比,在整个地面距离(1500km-2000km)上的平均误差为10.46km；当射线频率为22MHz时,在整个地面距离(2500km-3400km)上的平均误差为2.75km。因此,基于真实电离层得到的坐标配准和多路径概率数据关联算法得到的天波超视距目标位置估计有较好的精度。第七,根据本文的理论分析和数值模拟结果,提出了一种天波超视距雷达坐标配准的工程化实施方案,该方案建立在单站斜向返回散射系统的基础之上,利用该系统提供的准实时电离层参数,结合电离层数据同化和准实时电离层建模方法,将坐标配准与雷达多径数据处理相结合,以提高雷达目标定位和跟踪的精度。本文工作表明,电离层扰动,无论是实时的随机性扰动还是系统性扰动(如电离层倾斜和行进式扰动)都会对天波超视距雷达坐标配准的精度产生可观的影响。本文首次提出的将基于电离层真实模型的坐标配准与雷达目标跟踪相结合的方法,既可以作为天波超视距雷达频率管理系统的一个功能模块,也可以作为雷达数据处理系统的一部分,提高天波超视距雷达数据处理的能力和精度,从而为天波超视距雷达多径数据处理提供了新的思路。