本發(fā)明屬于雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高頻天地波MIMO雷達(dá)的實(shí)現(xiàn)方法，用于解決天地波超視距雷達(dá)面臨的多徑、多模效應(yīng)和雜波多普勒展寬等問(wèn)題。

背景技術(shù)：

天地波一體化超視距雷達(dá)屬于一種新體制的雷達(dá)，采用雙基地體制，工作于天波反射/地波繞射新傳播模式，高頻段無(wú)線(xiàn)電波通過(guò)自由空間斜入射到電離層，經(jīng)電離層反射后通過(guò)自由空間到達(dá)地(海)面，再經(jīng)地(海)面以表面波形式傳播到地波接收點(diǎn)，接收機(jī)可以放置在遠(yuǎn)離發(fā)射機(jī)的海岸上或艦船上，具有很大的靈活性，且接收機(jī)距離目標(biāo)近，接收到的目標(biāo)回波較強(qiáng)。然而，由于電離層具有分層、非平穩(wěn)等特性，傳播信道的復(fù)雜性使天地波雷達(dá)的性能受到電離層引起的多徑、多模傳播效應(yīng)和擴(kuò)展雜波等的影響。同時(shí)由于其回波的復(fù)雜性，使得去電離層多徑、多模效應(yīng)成為天地波雷達(dá)系統(tǒng)、天地波混合組網(wǎng)系統(tǒng)研究的難點(diǎn)。

多輸入多輸出(MIMO)雷達(dá)是目前雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，其特點(diǎn)是每個(gè)發(fā)射天線(xiàn)可以獨(dú)立發(fā)射不同的波形，與相控陣?yán)走_(dá)所有陣元發(fā)射相同的波形相比，密集式MIMO雷達(dá)的波形分集能力帶來(lái)更多的發(fā)射自由度，在弱目標(biāo)檢測(cè)、干擾抑制、分辨力提高等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)；分布式MIMO雷達(dá)的具有空間分集能力，實(shí)現(xiàn)多角度觀測(cè)。目前國(guó)內(nèi)已有關(guān)于MIMO天波超視距雷達(dá)方面的研究，MIMO雷達(dá)技術(shù)在干擾抑制、空間分辨率提高等方面的優(yōu)勢(shì)正被逐漸應(yīng)用到高頻雷達(dá)中，以突破傳統(tǒng)高頻雷達(dá)的固有瓶頸限制。

高頻天地波雷達(dá)在組網(wǎng)方式模式下工作，可以獲得更多的海洋回波多普勒數(shù)據(jù)。與單模式雷達(dá)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有更好的探測(cè)性能。然而，天地波雷達(dá)系統(tǒng)中，回波的多徑效應(yīng)，雜波擴(kuò)展，波束的空間分辨率差等問(wèn)題依然存在。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)背景技術(shù)存在的問(wèn)題，提供了一種高頻天地波MIMO雷達(dá)的實(shí)現(xiàn)方法，利用MIMO雷達(dá)可在收發(fā)端進(jìn)行波束形成并向不同方向發(fā)射窄波束的特點(diǎn)，解決天地波超視距雷達(dá)面臨的多徑、多模效應(yīng)和雜波多普勒展寬等問(wèn)題。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種高頻天地波MIMO雷達(dá)的實(shí)現(xiàn)方法，該實(shí)現(xiàn)方法主要包括雷達(dá)天線(xiàn)陣型和發(fā)射波形的設(shè)計(jì)以及回波處理，包括如下步驟，

步驟1：仿真設(shè)計(jì)天地波MIMO的發(fā)射與接收天線(xiàn)陣。

在地理環(huán)境允許及探測(cè)精度的要求下，通過(guò)仿真發(fā)射與接收天線(xiàn)陣的方向圖，確定各天波發(fā)射站和接收站的陣元個(gè)數(shù)；并確定天地波MIMO雷達(dá)的工作頻率f₀和天線(xiàn)陣的陣型以及孔徑。

步驟2：結(jié)合天地波回波特點(diǎn)，選擇信號(hào)調(diào)制方法，給出MIMO體制下天地波雷達(dá)系統(tǒng)的信號(hào)模型。

通過(guò)設(shè)計(jì)發(fā)射信號(hào)波形使不同發(fā)射子單元的信號(hào)占據(jù)不同的頻段或相位，實(shí)現(xiàn)發(fā)射信號(hào)的多路正交。

步驟3：對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行匹配濾波處理。

采用混頻濾波的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮，分離出具有不同初始多普勒頻率的多路正交信號(hào)。

上述技術(shù)方案的特點(diǎn)在于：

步驟1中采用2個(gè)天波發(fā)射站和3個(gè)接收站，為天波直達(dá)波的俯仰角信息和對(duì)發(fā)射信號(hào)作波束形成，設(shè)計(jì)天波發(fā)射站陣型和接收站陣型為不規(guī)則面陣。

步驟2中天波發(fā)射采用調(diào)頻連續(xù)波(Frequency Modulated Continuous Wave，F(xiàn)MCW)。正交信號(hào)的產(chǎn)生可以采用正交頻分線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)(Orthogonal Frequency Division Multiplexing-Linear Frequency Modulated,OFDM-LFM)、基于時(shí)間錯(cuò)位的線(xiàn)性調(diào)頻(Linear Frequency Modulated,LFM)信號(hào)或者基于慢時(shí)域相位編碼的LFM信號(hào)。

在天地波組網(wǎng)中，接收采用調(diào)頻中斷連續(xù)波(Frequency Modulated Interruptrd Continuous Wave,FMICW)波形，受中斷脈沖頻率的限制，最大不模糊距離有限，基于時(shí)間錯(cuò)位LFM的MIMO機(jī)制不再適用，而基于OFDM-LFM的MIMO機(jī)制接收端相對(duì)復(fù)雜，故發(fā)射波形參考基于慢時(shí)域相位編碼LFM的MIMO機(jī)制，并根據(jù)天地波回波特點(diǎn)設(shè)計(jì)。

所述信號(hào)調(diào)制方法是對(duì)不同發(fā)射陣元的發(fā)射信號(hào)進(jìn)行不同的調(diào)制，不同發(fā)射子單元的信號(hào)占據(jù)不同的頻段或相位，使其在多普勒域正交，各發(fā)射單元的發(fā)射信號(hào)對(duì)應(yīng)不同的多普勒頻移。

步驟3中的混頻濾波技術(shù)，針對(duì)天波發(fā)射陣元不同的頻段或相位值，在接收站采用不同的匹配濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮。

所述步驟2，建立MIMO體制下天地波雷達(dá)系統(tǒng)的信號(hào)模型過(guò)程如下：

假設(shè)發(fā)射站1有M個(gè)天波發(fā)射陣元信號(hào)，各發(fā)射單元FMCW信號(hào)用S_m(t)表示，其中m在1～M內(nèi)取值；發(fā)射掃頻周期為T(mén)，在一個(gè)相干積累時(shí)間共發(fā)射N(xiāo)個(gè)脈沖，重復(fù)頻率F等于1/(NT)，在基于慢時(shí)域相位編碼LFM的MIMO機(jī)制中，利用相位編碼使得不同發(fā)射子單元的信號(hào)占據(jù)不同的頻段，將F等分為M個(gè)正交的子通道，每個(gè)子通道的帶寬為F/M；

假設(shè)第m路發(fā)射信號(hào)的回波多普勒初始值為f_dm，其發(fā)射信號(hào)初始相差為Δθ_m，則它們滿(mǎn)足以下關(guān)系：

設(shè)發(fā)射信號(hào)載波為f₀，掃頻帶寬為K，t時(shí)刻第m個(gè)陣元第n個(gè)周期的發(fā)射信號(hào)為：

其中0≤t<T,n＝0～N-1。

所述步驟3，混頻濾波的具體過(guò)程如下：

設(shè)某一地波接收機(jī)有N根接收天線(xiàn)，接收端的本振信號(hào)S_LO(t)為：

其中g(shù)(t)為中斷脈沖；

設(shè)陣列的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域存在一個(gè)點(diǎn)目標(biāo)，發(fā)射信號(hào)遇到目標(biāo)發(fā)生散射，回波被接收天線(xiàn)接收，則接收天線(xiàn)上第l陣元上的天地波路徑回波信號(hào)表示為：

其中a_R＝[a_R1,a_R2,...,a_RN]^T,a_T＝[a_T1,a_T2,...,a_TM]^T分別為地波接收陣列和天波發(fā)射陣列的導(dǎo)向矢量，τ為接收時(shí)延，c_t為反射信號(hào)的復(fù)幅度；

在接收站，采取混頻濾波的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮，經(jīng)過(guò)混頻濾波處理后得到：

其中

對(duì)應(yīng)于多普勒域，第m根天波發(fā)射信號(hào)對(duì)應(yīng)的回波初始多普勒將位于

對(duì)于不同的天波發(fā)射信號(hào)，其初始多普勒頻率不同，這樣即實(shí)現(xiàn)多路發(fā)射信號(hào)的在接收站的分離。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于：

本發(fā)明提供的高頻天地波MIMO雷達(dá)的實(shí)現(xiàn)方法，通過(guò)設(shè)計(jì)MIMO雷達(dá)的發(fā)射與接收天線(xiàn)陣以及正交發(fā)射波形，實(shí)現(xiàn)了MIMO機(jī)制在天地波雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了MIMO雷達(dá)分布式與密集式的并存，既可多角度觀測(cè)又提高了空間分辨率。多角度的觀測(cè)擴(kuò)大了探測(cè)范圍并提高探測(cè)精度，MIMO虛擬陣元使天地波雷達(dá)系統(tǒng)具備靈活的波束形成能力，能夠適當(dāng)消除天地波雷達(dá)中來(lái)自不同空間方位的多徑效應(yīng)、多模效應(yīng)和電離層污染帶來(lái)的擴(kuò)展雜波的影響。

附圖說(shuō)明

圖1是發(fā)射波形設(shè)計(jì)示意圖；

圖2是雷達(dá)系統(tǒng)工作示意圖；

圖3是天波單站發(fā)射時(shí)天地波混合組網(wǎng)回波距離-多普勒譜；

圖4是天波雙站發(fā)射時(shí)天地波混合組網(wǎng)系統(tǒng)回波距離-多普勒譜。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，此處所描述的實(shí)施示例僅用于說(shuō)明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

一種高頻天地波MIMO雷達(dá)的實(shí)現(xiàn)方法，該實(shí)現(xiàn)方法主要包括雷達(dá)天線(xiàn)陣和發(fā)射波形的設(shè)計(jì)以及回波處理，具體包括如下步驟，

步驟1：仿真設(shè)計(jì)天地波MIMO的發(fā)射與接收天線(xiàn)陣。在地理環(huán)境允許及探測(cè)精度的要求下，通過(guò)仿真發(fā)射與接收天線(xiàn)陣的方向圖，確定各天波發(fā)射站和接收站的陣元個(gè)數(shù)；并確定天地波MIMO雷達(dá)的工作頻率f₀和天線(xiàn)陣的陣型以及孔徑。

實(shí)驗(yàn)涉及2個(gè)天波發(fā)射站和3個(gè)接收站，為天波直達(dá)波的俯仰角信息和對(duì)發(fā)射信號(hào)作波束形成，設(shè)計(jì)天波發(fā)射站陣型和接收站陣型為不規(guī)則面陣。

步驟2：結(jié)合天地波回波特點(diǎn)，選擇信號(hào)調(diào)制方法，給出MIMO體制下天地波雷達(dá)系統(tǒng)的信號(hào)模型。設(shè)計(jì)發(fā)射信號(hào)波形使不同發(fā)射子單元的信號(hào)占據(jù)不同的頻段或相位，實(shí)現(xiàn)發(fā)射信號(hào)的多路正交。

假設(shè)發(fā)射站1有M個(gè)天波發(fā)射陣元信號(hào)，各發(fā)射單元FMCW信號(hào)用S_m(t)表示，其中m在1～M內(nèi)取值。發(fā)射掃頻周期(脈沖重復(fù)周期)為T(mén)，在一個(gè)相干積累時(shí)間(Coherent Integration Time,CIT)共發(fā)射N(xiāo)個(gè)脈沖，重復(fù)頻率F等于1/(NT)，在基于慢時(shí)域相位編碼LFM的MIMO機(jī)制中，利用相位編碼使得不同發(fā)射子單元的信號(hào)占據(jù)不同的頻段，將F等分為M個(gè)正交的子通道，每個(gè)子通道的帶寬為F/M。

假設(shè)第m路發(fā)射信號(hào)的回波多普勒初始值為f_dm，其發(fā)射信號(hào)初始相差為Δθ_m，則它們滿(mǎn)足以下關(guān)系：

發(fā)射波形設(shè)計(jì)如圖1所示.

設(shè)發(fā)射信號(hào)載波為f₀，掃頻帶寬為K，t時(shí)刻第m個(gè)陣元第n個(gè)周期的發(fā)射信號(hào)為

其中0≤t<T,n＝0～N-1；

步驟3：對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行匹配濾波處理。采用混頻濾波的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮，分離出具有不同初始多普勒頻率的多路正交信號(hào)。

假設(shè)某一地波接收機(jī)有N根接收天線(xiàn)，接收端的本振信號(hào)S_LO(t)為：

其中g(shù)(t)為中斷脈沖。

假設(shè)陣列的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域存在一個(gè)點(diǎn)目標(biāo)，發(fā)射信號(hào)遇到目標(biāo)發(fā)生散射，回波被接收天線(xiàn)接收，則接收天線(xiàn)上第l陣元上的天地波路徑回波信號(hào)可表示為：

其中a_R＝[a_R1,a_R2,...,a_RN]^T,a_T＝[a_T1,a_T2,...,a_TM]^T分別為地波接收陣列和天波發(fā)射陣列的導(dǎo)向矢量，τ為接收時(shí)延，c_t為反射信號(hào)的復(fù)幅度。

在接收站,采取混頻濾波的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮，經(jīng)過(guò)混頻濾波處理后得到

對(duì)應(yīng)于多普勒域，第m根天波發(fā)射信號(hào)對(duì)應(yīng)的回波初始多普勒將位于

其中

對(duì)于不同的天波發(fā)射信號(hào)，其初始多普勒頻率將不同，這樣即可實(shí)現(xiàn)多路發(fā)射信號(hào)的在接收站的分離。

利用最新研制的雷達(dá)系統(tǒng)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，具體開(kāi)展方式如下：

實(shí)驗(yàn)涉及兩個(gè)天波雷達(dá)站和三個(gè)地波雷達(dá)站，天波發(fā)射站分別位于湖北崇陽(yáng)和湖北武漢，距離約100Km；三個(gè)地波站位于福建的東山、龍海和赤湖，距離天波發(fā)射站約900Km。工作原理見(jiàn)附圖2。

實(shí)驗(yàn)中所采用的雙頻多通道地波雷達(dá)工作于雙頻模式，采用線(xiàn)性調(diào)頻中斷連續(xù)波波形，系統(tǒng)工作頻率在7.5～8.5MHz和12～13.5MHz兩個(gè)頻段。天波多通道發(fā)射系統(tǒng)有五個(gè)獨(dú)立的發(fā)射通道，各個(gè)通道的發(fā)射波形(包含頻率、幅度和相位)可獨(dú)立控制，每個(gè)通道最大發(fā)射功率為2Kw。

天波發(fā)射采用對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)，武漢站有1路發(fā)射天線(xiàn)，崇陽(yáng)站有5路發(fā)射天線(xiàn)，各天線(xiàn)間隔20m，地波發(fā)射采用三元八木天線(xiàn)。

接收陣列位于地波雷達(dá)站，采用8元面陣接收雷達(dá)回波信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中掃頻信號(hào)周期設(shè)為0.125s，掃頻帶寬為30KHz。

附圖3給出了2015年1月20日10:41分天波單站發(fā)射時(shí)龍海站接收的天地波混合組網(wǎng)回波距離-多普勒?qǐng)D。崇陽(yáng)站五根天線(xiàn)同時(shí)發(fā)射，形成集中式MIMO系統(tǒng)，龍海站接收。天波工作頻率12.47MHz，發(fā)射功率各1Kw，掃頻周期為0.125s，相干積累時(shí)間取為64s。各天波發(fā)射通道信號(hào)的初始相差為Δθ_m分別為-150°、-90°、-31°、+27°、+86°，在附圖3所示的回波譜中，對(duì)應(yīng)的天地波回波多普勒頻率初始值依次為-3.3Hz、-2Hz、-0.7Hz、0.6Hz、2Hz。

天地波路徑的海洋Bragg峰清晰可見(jiàn)，一階Bragg峰約占十二個(gè)距離元，相對(duì)于地波有著明顯的展寬。這樣，在接收端，就很容易實(shí)現(xiàn)了發(fā)射信號(hào)的分離。

附圖4給出了2015年1月20日11:46分天波雙站發(fā)射時(shí)龍海站接收的天地波組網(wǎng)回波距離-多普勒?qǐng)D。

崇陽(yáng)天波發(fā)射站4根天線(xiàn)同時(shí)發(fā)射，武漢天波發(fā)射站單根天線(xiàn)發(fā)射，形成分布式MIMO系統(tǒng)，龍海站自發(fā)自收，赤湖站、東山站同時(shí)接收。天波工作頻率12.47MHz，發(fā)射功率各1Kw，掃頻周期為0.125s，相干積累時(shí)間取為64s。崇陽(yáng)各發(fā)射通道信號(hào)的初始相差為Δθ_m分別為-150°、-31°、+27°、+86°，武漢站初始相差為-90°、地波發(fā)射的初始相差為+150°，則在如附圖4所示的回波譜中，對(duì)應(yīng)的天地波回波多普勒頻率初始值依次為-3.3Hz、-2Hz、-0.7Hz、0.6Hz、2Hz，其中左邊第2路(-2Hz)為武漢站天波的回波信號(hào)，地波自發(fā)自收回波多普勒頻率初始值為3.3Hz。

天地波路徑的海洋Bragg峰清晰可見(jiàn)，一階Bragg峰約占二十個(gè)距離元，比地波的要多。由于兩個(gè)天波發(fā)射站距離的差異，可以在回波譜上清楚地看出它們直達(dá)波位置的不同。

上面所示的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)該信號(hào)模型對(duì)天地波MIMO系統(tǒng)是適用的。