CN103018719A - 一种oth雷达发射波形的生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种OTH雷达发射波形的生成方法，属于雷达通信技术领域，特别涉及一种基于被检测目标的参数估计性能的OTH雷达发射波形生成方法。本发明的方法为，根据当前可用频段和探测要求，获取可能的待发射波形，然后根据雷达基站、电离层状态、电离层频移、海杂波、噪声基底等相关参数，再基于上述相关参数对费希尔信息矩阵F(θ)求逆，选取使得矩阵F^-1(θ)中，对角线上的第一元素和第二元素最小的波形作为第m个发射天线的发射波形，以获得本发明最优检测性能的发射波形。本发明可适用于随雷达基站参数、电离层状态、海杂波状况以及可用频段等变化下的各种情况，也同样适用于MIMO-OTH雷达和传统的相控阵OTH雷达。

Description

一种OTH雷达发射波形的生成方法

技术领域

本发明属于雷达通信技术领域，特别涉及一种基于被检测目标的参数估计性能的OTH雷达发射波形生成方法。 

背景技术

超视距雷达（OTH）雷达可以克服地球曲率，对视距以外的目标进行探测和跟踪。天波OTH雷达发射的高频电磁波以电离层作为传输媒介，信号处理需要在海杂波中检测目标和估计参数。随着多输入多输出（MIMO）技术引入雷达领域并得到深入研究，MIMO技术应用到OTH雷达也得到了关注。将MIMO技术用于OTH雷达的系统称为MIMO-OTH雷达系统。 

以往的相控阵OTH雷达发射波形基本限于线性调频连续波，其载频由经验选择而定。众所周知，OTH雷达的效能跟电离层状态密不可分，电离层的状态与诸多因素有关，包括地理经纬和太阳活动等，并且电离层是不稳定的。这些不定的因素对传统的发射波形模式提出了挑战。 

电离层对经过的信号会产生相位污染，给目标检测和参数估计带来困难。尤其是OTH雷达通常照射的区域为海面，因此海杂波特别强烈。以往OTH雷达中对电离层和海杂波的处理相对简单。OTH雷达中常见的信号处理方法得到的是射线距离和径向速度，再转换到地球坐标才能得到检测目标的真实参数。这种处理方法仅在数据处理阶段计算目标的地面位置和径向速度，而在信号处理阶段未能充分利用OTH雷达通过电离层折射和反射探测目标的具体场景。 

将MIMO技术应用到OTH雷达中，引入的“多径”可以提供分集增益。多载频的MIMO信号与多层的电离层形成了大量多径，可提供分集增益。载频不同的信号是相互正交的（频率间隔大于带宽），保证了各分量可分离。根据电离层探测设备，OTH雷达可以提供电离层的电子浓度图，推导出发射信号的射线轨迹；地面二维布阵，可为雷达系统提供俯仰角上的分辨率；这些提供了直接估计目标的地面距离和运动速度的实现基础。 

发明内容

本发明的发明目的在于：基于被检测目标的参数估计性能，提供一种OTH雷达发射波形的生成方法，以提高OTH雷达系统的检测性能。 

本发明的OTH雷达发射波形的生成方法，包括下列步骤： 

步骤S101，根据当前可用频段和探测要求，获取可能的待发射波形； 

步骤S201，获取雷达基站参数，包括发射天线个数M、接收天线个数N，接收阵元间距 d、发射信号能量E_s、第m个发射天线的待选发射信号波形s_m(t)，第m个发射天线的发射载频fm； 

电离层状态参数，包括层数I、各层对应的最大电子浓度f_ci、高度z_i、半厚度y_i、及电离层频移的方差 

海杂波参数，包括正负Bragg分量的幅度、Bragg峰的位置、与目标同个距离单元的时延 

噪声基底参数 

步骤S301，基于步骤S201获取的参数，对费希尔信息矩阵F(θ)求逆，得到F^-1(θ)； 

步骤S401，选取使得矩阵F^-1(θ)中，对角线上的第一元素和第二元素最小的波形作为第m个发射天线的发射波形。 

本发明的有益效果是：用本发明的波形生成方法得到的发射波形，能够在当前电离层状况下，优化对决目标参数估计性能，本发明可适用于随雷达基站参数、电离层状态、海杂波状况以及可用频段等变化下的各种情况，也同样适用于MIMO-OTH雷达和传统的相控阵OTH雷达。 

具体实施方式

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。 

本发明的思想是，根据OTH雷达的电离层探测设备得到的电离层相关数据（层数，最大电子浓度，半厚度，高度）可推算出发射信号的传播路径；结合雷达基站参数（发射天线个数、接收天线个数，接收阵元间隔（各接收天线间的间隔））和估计得到的海杂波参数（Bragg频率，幅度），就可以联合估计电离层相位污染频率和目标参数（地面距离，运动速度），再基于雷达系统对发射波形的要求（发射信号个数，可用频段），就可以计算出关于发射波形关于目标的地面距离、速度和各路径电离层相位污染频率的联合估计的克拉美罗界，从而从可能的待发射波形中选择出在当前环境下最优的波形作为OTH雷达的发射波形，以提高OTH雷达的检测性能。 

克拉美罗界(Cramer-Rao Bound，简称CRB)为任何无偏估计量的方差确定了一个下限，即不可能求得方差小于该下限的无偏估计量，CRB矩阵是费希尔信息矩阵（FIM）的逆矩阵，CRB矩阵提供了在当前的电离层状况下发射波形能获得的最佳参数估计性能，本发明根据CRB矩阵，基于发射信号的预处理阶段获取电离层影响发射波形的相关参数得到OTH雷达 系统的发射波形。 

本发明OTH雷达发射波形的生成方法不仅适用于MIMO-OTH雷达系统，也同样适用于传统的线阵相控阵OTH雷达系统，以下针对MIMO-OTH雷达系统说明本发明的具体实施过程： 

在一个二维平面内的MIMO-OTH雷达系统有M个发射天线、N个接收天线（以间距d均匀直线排列），构成发射阵列和接收阵列，该发射和接收阵列位于同一地点。第m（m=1,...,M）个发射天线发射载频为fm的信号 

其中，E_s是各发射信号的能量， 为了保证可实现，应该认为不同发射信号之间的载频差距足够大，它们是相互正交的，并且在经历了不同的时延和多普勒之后仍具有正交性。设被检测目标在地面距离R处，在地球表面上匀速运动，速度为υ。目标回波和同一距离单元的海杂波，经过电离层到达接收阵列。 

步骤S101，根据当前可用频带（通常为5~28MHZ）和目标探测要求，获取可能的待发射波形。 

步骤S201，获取雷达基站、电离层状态、海杂波及噪声基底等相关参数。 

雷达基站参数包括发射天线个数M接收天线个数N，接收阵元间距d、发射信号能量E_s、第m个发射天线的待选发射信号波形s_m(t)，第m个发射天线的发射载频fm； 

电离层状态参数包括电离层参数和电离层频移的方差 

通常用MQP（多准抛物线）模型来模拟电离层，电离层可分为多层，每一层包括连接层，用最大电子浓度f_ci，高度z_i，半厚度y_i和层数I（i=1,...,I）进行描述，基于此，本发明涉及的电离层参数包括最大电子浓度f_ci，高度z_i，半厚度y_i和层数I，电离层参数通过电离层检测设备获取； 

OTH雷达探测海面目标时，不可避免地接收到海杂波。海杂波的大小与风力风向等因素有关，通常比目标的回波高40~60dB。可以认为，在短时间内的海杂波主要由Bragg效应引起的两个显著的多普勒分量组成。第m个信号s_m(t)通过第l条路径照射海面所引起的海杂波信号c_ml(t)，可看作是对该信号延时 

基于此，本发明涉及的海杂波相关参数包括正负Bragg频移f_b，ml，Bragg峰的位置，得到施加Bragg频移并加权后的幅度，其中正Bragg频移f_b，ml对应的加权幅度为 负Bragg频移f_b，ml对应的加权幅度为 

以及与目标同个距离单元的时延 

噪声基底参数用 

表示； 

上述相关参数中，电离层相位污染的频移f_e,ml、海杂波相关参数以及噪声基底 是在信号的预处理阶段获取，即在信号的预处理阶段，我们可以通过现有设备得到当前电波和探测环境的噪声基底 

以及电离层频移的方差 

步骤S301，根据步骤S201中获取的参数，对费希尔信息矩阵F(θ)求逆，得到克拉美罗界。 

使用的费希尔信息矩阵如下所示： 

$F\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=1}{\overset{L_m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{ml}}\·$

其中 

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{ml}}=\frac{{32\mathrm{\π}}^2{N}^2{E}_s^2{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ml}}^4}{{\mathrm{\σ}}_u^2({\mathrm{\σ}}_u^2+{2\mathrm{NE}}_s{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ml}}^2)}---\left(1\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ml}}={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{f}^2{\left|S_m\left(f\right)\right|}^2\mathrm{df}-{\left|{\∫}_{-\∞}^{+\∞}f{\left|S_m\left(f\right)\right|}^2\mathrm{df}\right|}^2---\left(2\right)$

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{ml}}={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\left|S_m(t-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ml}})\right|}^2{t}^2\mathrm{df}-{[{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\left|S_m(t-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ml}})\right|}^2\mathrm{tdt}]}^2---\left(4\right)$

${-\∫}_{-\∞}^{+\∞}f{\left|S_m\left(f\right)\right|}^2\mathrm{df}\·{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\left|s_m(t-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ml}})\right|}^2\mathrm{tdt}$

${\mathrm{\ν}}_{\mathrm{ml}}={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\left|c_{\mathrm{ml}}\left(t\right)\right|}^2{t}^2\mathrm{dt}---\left(6\right)$

在上述费希尔信息矩阵F(θ)中，M表示发射天线个数，L_m表示信号s_m(t)具有的多径条 数，符号“·”表示乘号； 

变量γ_ml表现了信噪比对目标检测参数估计的影响（包括距离和速度），其中N表示接收天线个数，E_s是各发射信号的能量， 

表示电离层频移的方差， 

表示噪声基底； 

ε_ml表现了信号带宽对距离估计的影响，类似于均方带宽，这是雷达中常遇到的，其中S_m(f)表示信号s_m(t)的傅里叶变换； 

表现了俯仰角对距离估计的作用，因为OTH雷达特有的俯仰角与地面距离对应关系，其中d表示接收阵元间距，f_m表示发射载频， 表示第m个发射信号沿第l条路径后向传播（被目标发射后的信号经电离层反射到达接收端）的射线距离 

对应的接收俯仰角，R_ml 表示m个发射信号沿第l条路径的射线距离； 

η_ml表现了目标回波x(t)对估计路径相位污染频率的贡献，其中s_m(t-τ_ml)表示目标反射的回波信号，τ_ml表示第l（l=1,...,L_m，其中L_m表示信号s_m(t)具有的多径条数）条路径的时延， 

表示第m个发射信号沿第l条路径前向传播（发射信号经电离层发射后到达目标）的射线距离，c表示光速； 

κ_ml表现了距离和速度估计间的关系，其中 

表示取虚部运算， 

表示s_m(t-τ_ml)的共轭； 

ν_ml表现了在知道海杂波反射系数和时延下，海杂波对估计相位污染频率的贡献，其中c_ml(t)表示海面反射回的海杂波信号； 

ρ_ml表现了由于目标距离和速度未知，对电离层频移估计的破坏性影响，其中 

表示发射信号经过目标时延和频移的信号分量（不含幅度初相等信息）； 

另外，变量 

其中，f_d，ml表示第l（l=1,...,L_m，其中L_m表示信号s_m(t)具有的多径条数）条路径的多普勒， 

向量e_p表示维数为 

的列向量，第l个元素的值为1，其余元素的值均为0。 

上述矩阵F(θ)的表达式中的各参数，均能通过现有技术获取得到，并不是本发明所特定 的。 

本发明中，计算克拉美罗界通过对F(θ)求逆得到，F^-1(θ)矩阵中的对角线上的第一个元素[F^-1(θ)]₁₁为被检测目标的地面距离R的方差，对角线上的第二个元素[F^-1(θ)]₂₂为目标速度υ的方差，数学表达式如下： 

${\mathrm{\σ}}_{\min }^2\left(\hat{R}\right)={\left[F^{-1}\left(\mathrm{\θ}\right)\right]}_{11}$

${\mathrm{\σ}}_{\min }^2\left(\widehat{\mathrm{\υ}}\right)={\left[F^{-1}\left(\mathrm{\θ}\right)\right]}_{22}$

步骤S401,根据F^-1(θ)，选取使得[F^-1(θ)]₁₁、[F^-1(θ)]₂₂最小的波形作为第m个发射的发射波形，以获得最优的目标检测性能。 

Claims (2)

1.一种OTH雷达发射波形的生成方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤S101，根据当前可用频段和探测要求，获取可能的待发射波形；

步骤S201，获取雷达基站参数，包括发射天线个数M、接收天线个数N，接收阵元间距d、发射信号能量E_s、第m个发射天线的待选发射信号波形s_m(t)，第m个发射天线的发射载频f_m；

电离层状态参数，包括层数I、各层对应的最大电子浓度f_ci、高度z_i、半厚度y_i、及电离层频移的方差

海杂波参数，包括正负Bragg分量的幅度、Bragg峰的位置、与目标同个距离单元的时延

噪声基底参数

步骤S301，基于步骤S201获取的参数，对费希尔信息矩阵F(θ)求逆，得到F^-1(θ)；

步骤S401，选取使得矩阵F^-1(θ)中，对角线上的第一元素和第二元素最小的波形作为第m个发射天线的发射波形。

2.如权利要求1所述的OTH雷达发射波形的生成方法，其特征在于，所述费希尔信息矩阵F(θ)为：

其中，所述L_m表示s_m(t)具有的多径条数；

变量 ${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{ml}}=\frac{{32\mathrm{\π}}^2{N}^2{E}_s^2{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ml}}^4}{{\mathrm{\σ}}_u^2({\mathrm{\σ}}_u^2+2{\mathrm{NE}}_s{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ml}}^2)};$

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ml}}={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{f}^2{\left|S_m\left(f\right)\right|}^2\mathrm{df}-{\left|{\∫}_{-\∞}^{+\∞}f{\left|S_m\left(f\right)\right|}^2\mathrm{df}\right|}^2,$ S_m(f)表示信号s_m(t)的傅里叶变换；

表示第m个发射信号沿第l条路径后向传播的射线距离

对应的接收俯仰角，R_ml表示第m个发射信号沿第l条路径的射线距离；

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{ml}}={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\left|s_m(t-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ml}})\right|}^2{t}^2\mathrm{dt}-{\left|{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\left|S_m(t-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ml}})\right|}^2\mathrm{tdt}\right|}^2,$ s_m(t-τ_ml)表示目标反射的回波信号，τ_ml表示第m个发射信号沿第l条路径的时延；

$\begin{array}{c}{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{ml}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\·\mathrm{Im}[{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{s}_m^{*}(t-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ml}})\frac{{\∂s}_m(t-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ml}})}{{\∂\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ml}}}\·\mathrm{tdt}]\\ -{\∫}_{-\∞}^{+\∞}f{\left|S_m\left(f\right)\right|}^2\mathrm{df}\·{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\left|s_m(t-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ml}})\right|}^2\mathrm{tdt}\end{array},$ $\mathrm{Im}[{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{s}_m^{*}(t-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ml}})\frac{{\∂s}_m(t-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ml}})}{{\∂\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ml}}}\·\mathrm{tdt}]$ 表示取虚部运算，

表示s_m(t-τ_ml)的共轭；

${\mathrm{\ν}}_{\mathrm{ml}}={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\left|c_{\mathrm{ml}}\left(t\right)\right|}^2{t}^2\mathrm{dt},$ c_ml(t)表示海杂波信号；

表示发射信号经过目标时延和频移的信号分量；

变量

其中，f_d，ml表示第m个发射信号沿第l条路径的多普勒，R表示设被检测目标的地面距离，υ表示在被检测目标的速度；向量e_l表示维数为

的列向量，且第l个元素的值为1，其余元素的值均为0。