一种高频天地波MIMO雷达的实现方法与流程

本发明属于雷达技术领域，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。

背景技术：

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)雷达是目前雷达技术领域的研究热点，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。

技术实现要素：

本发明针对背景技术存在的问题，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，本发明采用如下技术方案：

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(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)。正交信号的产生可以采用正交频分线性调频信号(Orthogonal Frequency Division Multiplexing-Linear Frequency Modulated,OFDM-LFM)、基于时间错位的线性调频(Linear Frequency Modulated,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(Frequency Modulated Interruptrd Continuous Wave,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S_m(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f_dm，其发射信号初始相差为Δθ_m，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S_LO(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a_R＝[a_R1,a_R2,...,a_RN]^T,a_T＝[a_T1,a_T2,...,a_TM]^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，c_t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，本发明的优势在于：

本发明提供的高频天地波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

下面结合实例对本发明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发明，并不用于限定本发明。

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型。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。

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S_m(t)表示，其中m在1～M内取值。发射扫频周期(脉冲重复周期)为T，在一个相干积累时间(Coherent Integration Time,CIT)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f_dm，其发射信号初始相差为Δθ_m，则它们满足以下关系：

发射波形设计如图1所示.

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；

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。

假设某一地波接收机有N根接收天线，接收端的本振信号S_LO(t)为：

其中g(t)为中断脉冲。

假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可表示为：

其中a_R＝[a_R1,a_R2,...,a_RN]^T,a_T＝[a_T1,a_T2,...,a_TM]^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，c_t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

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

其中

对于不同的天波发射信号，其初始多普勒频率将不同，这样即可实现多路发射信号的在接收站的分离。

利用最新研制的雷达系统开展现场试验，具体开展方式如下：

实验涉及两个天波雷达站和三个地波雷达站，天波发射站分别位于湖北崇阳和湖北武汉，距离约100Km；三个地波站位于福建的东山、龙海和赤湖，距离天波发射站约900Km。工作原理见附图2。

实验中所采用的双频多通道地波雷达工作于双频模式，采用线性调频中断连续波波形，系统工作频率在7.5～8.5MHz和12～13.5MHz两个频段。天波多通道发射系统有五个独立的发射通道，各个通道的发射波形(包含频率、幅度和相位)可独立控制，每个通道最大发射功率为2Kw。

天波发射采用对数周期天线，武汉站有1路发射天线，崇阳站有5路发射天线，各天线间隔20m，地波发射采用三元八木天线。

接收阵列位于地波雷达站，采用8元面阵接收雷达回波信号。实验中扫频信号周期设为0.125s，扫频带宽为30KHz。

附图3给出了2015年1月20日10:41分天波单站发射时龙海站接收的天地波混合组网回波距离-多普勒图。崇阳站五根天线同时发射，形成集中式MIMO系统，龙海站接收。天波工作频率12.47MHz，发射功率各1Kw，扫频周期为0.125s，相干积累时间取为64s。各天波发射通道信号的初始相差为Δθ_m分别为-150°、-90°、-31°、+27°、+86°，在附图3所示的回波谱中，对应的天地波回波多普勒频率初始值依次为-3.3Hz、-2Hz、-0.7Hz、0.6Hz、2Hz。

天地波路径的海洋Bragg峰清晰可见，一阶Bragg峰约占十二个距离元，相对于地波有着明显的展宽。这样，在接收端，就很容易实现了发射信号的分离。

附图4给出了2015年1月20日11:46分天波双站发射时龙海站接收的天地波组网回波距离-多普勒图。

崇阳天波发射站4根天线同时发射，武汉天波发射站单根天线发射，形成分布式MIMO系统，龙海站自发自收，赤湖站、东山站同时接收。天波工作频率12.47MHz，发射功率各1Kw，扫频周期为0.125s，相干积累时间取为64s。崇阳各发射通道信号的初始相差为Δθ_m分别为-150°、-31°、+27°、+86°，武汉站初始相差为-90°、地波发射的初始相差为+150°，则在如附图4所示的回波谱中，对应的天地波回波多普勒频率初始值依次为-3.3Hz、-2Hz、-0.7Hz、0.6Hz、2Hz，其中左边第2路(-2Hz)为武汉站天波的回波信号，地波自发自收回波多普勒频率初始值为3.3Hz。

天地波路径的海洋Bragg峰清晰可见，一阶Bragg峰约占二十个距离元，比地波的要多。由于两个天波发射站距离的差异，可以在回波谱上清楚地看出它们直达波位置的不同。

上面所示的现场实验结果，初步的实验结果对该信号模型对天地波MIMO系统是适用的。