一种高频天地波MIMO雷达的实现方法技术

本发明专利技术公开一种高频天地波MIMO雷达的实现方法，为天地波超视距雷达面临的多径、多模效应和杂波多普勒扩展等问题提供了有效的解决途径。该雷达系统由多个天波发射站和多个地波接收站组成，各发射站与接收站由若干天线单元组成，从而实现MIMO雷达分布式与密集式的并存，既提高了空间分辨率又可多角度观测。通过给发射子单元分配不同的频段或相位，实现发射信号的多路正交。接收站采用混频滤波来实现脉冲压缩，从而分离多路正交信号。多角度的观测扩大了探测范围并提高探测精度，MIMO虚拟阵元使天地波雷达系统具备灵活的波束形成能力，能够适当消除天地波雷达中来自不同空间方位的多径效应、多模效应和电离层污染带来的扩展杂波的影响。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于雷达
，特别涉及一种高频天地波MIMO雷达的实现方法，用于解决天地波超视距雷达面临的多径、多模效应和杂波多普勒展宽等问题。
技术介绍
天地波一体化超视距雷达属于一种新体制的雷达，采用双基地体制，工作于天波反射/地波绕射新传播模式，高频段无线电波通过自由空间斜入射到电离层，经电离层反射后通过自由空间到达地(海)面，再经地(海)面以表面波形式传播到地波接收点，接收机可以放置在远离发射机的海岸上或舰船上，具有很大的灵活性，且接收机距离目标近，接收到的目标回波较强。然而，由于电离层具有分层、非平稳等特性，传播信道的复杂性使天地波雷达的性能受到电离层引起的多径、多模传播效应和扩展杂波等的影响。同时由于其回波的复杂性，使得去电离层多径、多模效应成为天地波雷达系统、天地波混合组网系统研究的难点。多输入多输出(MIMO)雷达是目前雷达
的研究热点，其特点是每个发射天线可以独立发射不同的波形，与相控阵雷达所有阵元发射相同的波形相比，密集式MIMO雷达的波形分集能力带来更多的发射自由度，在弱目标检测、干扰抑制、分辨力提高等方面具有明显的优势；分布式MIMO雷达的具有空间分集能力，实现多角度观测。目前国内已有关于MIMO天波超视距雷达方面的研究，MIMO雷达技术在干扰抑制、空间分辨率提高等方面的优势正被逐渐应用到高频雷达中，以突破传统高频雷达的固有瓶颈限制。高频天地波雷达在组网方式模式下工作，可以获得更多的海洋回波多普勒数据。与单模式雷达系统相比，该系统具有更好的探测性能。然而，天地波雷达系统中，回波的多径效应，杂波扩展，波束的空间分辨率差等问题依然存在。
技术实现思路
本专利技术针对
技术介绍
存在的问题，提供了一种高频天地波MIMO雷达的实现方法，利用MIMO雷达可在收发端进行波束形成并向不同方向发射窄波束的特点，解决天地波超视距雷达面临的多径、多模效应和杂波多普勒展宽等问题。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种高频天地波MIMO雷达的实现方法，该实现方法主要包括雷达天线阵型和发射波形的设计以及回波处理，包括如下步骤，步骤1：仿真设计天地波MIMO的发射与接收天线阵。在地理环境允许及探测精度的要求下，通过仿真发射与接收天线阵的方向图，确定各天波发射站和接收站的阵元个数；并确定天地波MIMO雷达的工作频率f0和天线阵的阵型以及孔径。步骤2：结合天地波回波特点，选择信号调制方法，给出MIMO体制下天地波雷达系统的信号模型。通过设计发射信号波形使不同发射子单元的信号占据不同的频段或相位，实现发射信号的多路正交。步骤3：对接收信号进行匹配滤波处理。采用混频滤波的技术来实现脉冲压缩，分离出具有不同初始多普勒频率的多路正交信号。上述技术方案的特点在于：步骤1中采用2个天波发射站和3个接收站，为天波直达波的俯仰角信息和对发射信号作波束形成，设计天波发射站阵型和接收站阵型为不规则面阵。步骤2中天波发射采用调频连续波(FrequencyModulatedContinuousWave，FMCW)。正交信号的产生可以采用正交频分线性调频信号(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing-LinearFrequencyModulated,OFDM-LFM)、基于时间错位的线性调频(LinearFrequencyModulated,LFM)信号或者基于慢时域相位编码的LFM信号。在天地波组网中，接收采用调频中断连续波(FrequencyModulatedInterruptrdContinuousWave,FMICW)波形，受中断脉冲频率的限制，最大不模糊距离有限，基于时间错位LFM的MIMO机制不再适用，而基于OFDM-LFM的MIMO机制接收端相对复杂，故发射波形参考基于慢时域相位编码LFM的MIMO机制，并根据天地波回波特点设计。所述信号调制方法是对不同发射阵元的发射信号进行不同的调制，不同发射子单元的信号占据不同的频段或相位，使其在多普勒域正交，各发射单元的发射信号对应不同的多普勒频移。步骤3中的混频滤波技术，针对天波发射阵元不同的频段或相位值，在接收站采用不同的匹配滤波器来实现脉冲压缩。所述步骤2，建立MIMO体制下天地波雷达系统的信号模型过程如下：假设发射站1有M个天波发射阵元信号，各发射单元FMCW信号用Sm(t)表示，其中m在1～M内取值；发射扫频周期为T，在一个相干积累时间共发射N个脉冲，重复频率F等于1/(NT)，在基于慢时域相位编码LFM的MIMO机制中，利用相位编码使得不同发射子单元的信号占据不同的频段，将F等分为M个正交的子通道，每个子通道的带宽为F/M；假设第m路发射信号的回波多普勒初始值为fdm，其发射信号初始相差为Δθm，则它们满足以下关系：设发射信号载波为f0，扫频带宽为K，t时刻第m个阵元第n个周期的发射信号为：其中0≤t<T,n＝0～N-1。所述步骤3，混频滤波的具体过程如下：设某一地波接收机有N根接收天线，接收端的本振信号SLO(t)为：其中g(t)为中断脉冲；设阵列的远场区域存在一个点目标，发射信号遇到目标发生散射，回波被接收天线接收，则接收天线上第l阵元上的天地波路径回波信号表示为：其中aR＝[aR1,aR2,...,aRN]T,aT＝[aT1,aT2,...,aTM]T分别为地波接收阵列和天波发射阵列的导向矢量，τ为接收时延，ct为反射信号的复幅度；在接收站，采取混频滤波的形式来实现脉冲压缩，经过混频滤波处理后得到：其中对应于多普勒域，第m根天波发射信号对应的回波初始多普勒将位于对于不同的天波发射信号，其初始多普勒频率不同，这样即实现多路发射信号的在接收站的分离。与现有技术相比，本专利技术的优势在于：本专利技术提供的高频天地波MIMO雷达的实现方法，通过设计MIMO雷达的发射与接收天线阵以及正交发射波形，实现了MIMO机制在天地波雷达系统中的应用。该系统实现了MIMO雷达分布式与密集式的并存，既可多角度观测又提高了空间分辨率。多角度的观测扩大了探测范围并提高探测精度，MIMO虚拟阵元使天地波雷达系统具备灵活的波束形成能力，能够适当消除天地波雷达中来自不同空间方位的多径效应、多模效应和电离层污染带来的扩展杂波的影响。附图说明图1是发射波形设计示意图；图2是雷达系统工作示意图；图3是天波单站发射时天地波混合组网回波距离-多普勒谱；图4是天波双站发射时天地波混合组网系统回波距离-多普勒谱。具体实施方式下面结合实例对本专利技术作进一步的详细描述，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。一种高频天地波MIMO雷达的实现方法，该实现方法主要包括雷达天线阵和发射波形的设计以及回波处理，具体包括如下步骤，步骤1：仿真设计天地波MIMO的发射与接收天线阵。在地理环境允许及探测精度的要求下，通过仿真发射与接收天线阵的方向图，确定各天波发射站和接收站的阵元个数；并确定天地波MIMO雷达的工作频率f0和天线阵的阵型以及孔径。实验涉及2个天波发射站和3个接收站，为天波直达波的俯仰角信息和对发射信号作波束形成，设计天波发射站阵型和接收站阵型为不规则面阵。步骤2：结合天地波回波特点，选择信号调制方法，给出MIMO体制下天地波雷达系统的信号模本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高频天地波MIMO雷达的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：仿真设计天地波MIMO的发射与接收天线阵；在地理环境允许及探测精度的要求下，通过仿真发射与接收天线阵的方向图，确定各天波发射站和接收站的阵元个数；并确定天地波MIMO雷达的工作频率f0和天线阵的阵型以及孔径；步骤2：结合天地波回波特点，选择信号调制方法，建立MIMO体制下天地波雷达系统的信号模型；通过设计发射信号波形使不同发射子单元的信号占据不同的频段或相位，实现发射信号的多路正交；步骤3：对接收信号进行匹配滤波处理；采用混频滤波的技术来实现脉冲压缩，分离出具有不同初始多普勒频率的多路正交信号。

【技术特征摘要】
1.一种高频天地波MIMO雷达的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：仿真设计天地波MIMO的发射与接收天线阵；在地理环境允许及探测精度的要求下，通过仿真发射与接收天线阵的方向图，确定各天波发射站和接收站的阵元个数；并确定天地波MIMO雷达的工作频率f0和天线阵的阵型以及孔径；步骤2：结合天地波回波特点，选择信号调制方法，建立MIMO体制下天地波雷达系统的信号模型；通过设计发射信号波形使不同发射子单元的信号占据不同的频段或相位，实现发射信号的多路正交；步骤3：对接收信号进行匹配滤波处理；采用混频滤波的技术来实现脉冲压缩，分离出具有不同初始多普勒频率的多路正交信号。2.根据权利要求1所述的一种高频天地波MIMO雷达的实现方法，其特征在于：所述步骤1，采用2个天波发射站和3个接收站，为天波直达波的俯仰角信息和对发射信号作波束形成；天波发射站阵型和接收站阵型为不规则面阵。3.根据权利要求2所述的一种高频天地波MIMO雷达的实现方法，其特征在于：步骤2中所述信号调制方法是对不同发射阵元的发射信号进行不同的调制，不同发射子单元的信号占据不同的频段或相位，使其在频域或多普勒域正交，各发射单元的发射信号对应不同的多普勒频移；天波发射采用调频连续波FMCW。4.根据权利要求3所述的一种高频天地波MIMO雷达的实现方法，其特征在于：步骤3中所述的混频滤波技术，针对天波发射阵元不同的频段或相位值，在接收站采用不同的匹配滤波器来实现脉冲压缩。5.根据权利要求4所述的一种高频天地波MIMO雷达的实现方法，其特征在于：所述步骤2，建立MIMO体制下天地波雷达系统的信号模型过程如下：假设发射站1有M个天波发射阵元信号，各发射单元FMCW信号用Sm(t)表示，其中m在1～M内取值；...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴雄斌，李苗，张兰，岳显昌，柳剑飞，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42