多站被動(dòng)超視距雷達(dá)時(shí)差定位及相關(guān)問(wèn)題研究.pdf

1、多站被動(dòng)超視距雷達(dá)是一個(gè)在超視距雷達(dá)和被動(dòng)雷達(dá)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的對(duì)超視距海面目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)定位的雷達(dá)系統(tǒng)。該雷達(dá)不但克服了沿視線傳播的被動(dòng)雷達(dá)作用距離受視距限制的缺點(diǎn)，而且克服了傳統(tǒng)地波超視距雷達(dá)目標(biāo)分辨單元過(guò)大的不足，除了具備被動(dòng)雷達(dá)隱蔽性強(qiáng)和具有良好的反隱身性能的優(yōu)點(diǎn)之外，還具備對(duì)海面超視距目標(biāo)的探測(cè)和高精度定位能力。因此，多站被動(dòng)超視距雷達(dá)是隱蔽、高精度地獲取超視距海面目標(biāo)位置信息的重要途徑，比傳統(tǒng)的被動(dòng)雷達(dá)和超視距雷達(dá)更具優(yōu)勢(shì)，具有

2、重要的研究?jī)r(jià)值和意義。
　　本文主要以三個(gè)發(fā)射站一個(gè)接收站的多站被動(dòng)超視距雷達(dá)為研究背景，從提升超視距目標(biāo)定位精度的實(shí)際需求出發(fā)，針對(duì)多站被動(dòng)超視距雷達(dá)中時(shí)差定位及其相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了深入系統(tǒng)地研究，包括多個(gè)發(fā)射站單個(gè)接收站體制下，基于目標(biāo)回波相對(duì)于直達(dá)波時(shí)延差的視距以外的海面目標(biāo)定位方法、目標(biāo)定位精度分析、窄帶信號(hào)的時(shí)延超分辨估計(jì)、相關(guān)信源的角度超分辨估計(jì)；同時(shí)，針對(duì)空中目標(biāo)的三維位置估計(jì)問(wèn)題，研究了單個(gè)發(fā)射站多個(gè)接收站體制下，依據(jù)

3、目標(biāo)回波到達(dá)四個(gè)接收站時(shí)延差的空中目標(biāo)高精度無(wú)模糊定位方法，豐富完善了被動(dòng)雷達(dá)目標(biāo)定位的理論體系。本文主要內(nèi)容可概括如下：
　　第一部分，利用目標(biāo)回波TOA(Time of Arrival)信息的超視距海面目標(biāo)被動(dòng)定位方法。首先，介紹了包含三個(gè)發(fā)射站一個(gè)接收站的多站被動(dòng)超視距雷達(dá)系統(tǒng)組成以及信號(hào)模型；然后，闡述了利用三個(gè)目標(biāo)散射回波TOA信息對(duì)超視距海面目標(biāo)的定位原理；接著，研究了球面三角學(xué)理論下的目標(biāo)位置求迭代解算法；接下來(lái)，研

4、究了迭代初值的選取方法；最后，針對(duì)目標(biāo)位置求解算法中可能出現(xiàn)的定位模糊問(wèn)題，提出了不需要其他測(cè)量值的假設(shè)檢驗(yàn)解模糊算法，有效地解決了定位模糊問(wèn)題。
　　第二部分，利用目標(biāo)回波TOA信息的超視距海面目標(biāo)被動(dòng)定位精度分析。首先，給出了參數(shù)測(cè)量精度和目標(biāo)定位性能評(píng)估指標(biāo)；其次，討論了多站被動(dòng)超視距雷達(dá)中影響目標(biāo)定位性能的主要因素，進(jìn)一步指出TOA測(cè)量誤差以及發(fā)射站、接收站和目標(biāo)之間的幾何位置關(guān)系是影響目標(biāo)定位性能的兩個(gè)主要原因；再次，推

5、導(dǎo)了目標(biāo)定位的克拉美羅下界(CRLB)，利用CRLB分析了給定TOA測(cè)量誤差下，目標(biāo)位置估計(jì)所能達(dá)到的最優(yōu)性能；最后，推導(dǎo)了目標(biāo)定位幾何精度因子計(jì)算公式，在給定參數(shù)測(cè)量精度下，分析了各個(gè)發(fā)射站、接收站和目標(biāo)之間幾何位置的不同對(duì)目標(biāo)定位精度的影響。
　　第三部分，窄帶信號(hào)壓縮感知超分辨TOA估計(jì)。首先，給出了窄帶信號(hào)TOA估計(jì)稀疏信號(hào)模型；然后，針對(duì)采用匹配濾波對(duì)窄帶信號(hào)進(jìn)行TOA估計(jì)存在的分辨率差的問(wèn)題，提出一種基于壓縮感知技術(shù)的

6、窄帶信號(hào)的高分辨率TOA估計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)窄帶信號(hào)的超分辨TOA估計(jì)；最后，針對(duì)傳統(tǒng)稀疏重構(gòu)算法運(yùn)算量大和占用內(nèi)存多的問(wèn)題，提出了一種改進(jìn)的分裂增廣拉格朗日稀疏重構(gòu)算法，顯著降低了計(jì)算復(fù)雜度和內(nèi)存占用量，提升了TOA估計(jì)的實(shí)時(shí)性。
　　第四部分，采用稀疏貝葉斯學(xué)習(xí)的相關(guān)信源超分辨DOA(Direction of Arrival)估計(jì)。首先，分析了利用目標(biāo)回波DOA信息對(duì)多個(gè)目標(biāo)情況下的將目標(biāo)與其正確的TOA測(cè)量值進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的原理

7、；然后，采用最大后驗(yàn)概率準(zhǔn)則，對(duì)多快拍實(shí)值測(cè)量模型下的稀疏貝葉斯學(xué)習(xí)理論進(jìn)行了介紹；接下來(lái)，利用酉變換將均勻線陣的陣列接收數(shù)據(jù)變?yōu)閷?shí)值增廣數(shù)據(jù)矩陣并將其在實(shí)值稀疏字典矩陣下稀疏表示，得到基于酉變換的稀疏DOA估計(jì)信號(hào)模型；接著，提出了一種改進(jìn)的酉稀疏貝葉斯學(xué)習(xí)DOA估計(jì)算法(USBL)，該算法不僅節(jié)省了計(jì)算量，而且具有更優(yōu)的角度分辨能力，能有效地對(duì)角度間隔較小的相關(guān)信源的DOA進(jìn)行估計(jì)；最后，對(duì)該算法的計(jì)算復(fù)雜度進(jìn)行了分析。
　　

8、第五部分，基于TDOA的空中目標(biāo)被動(dòng)定位方法。首先，分析了利用外輻射源對(duì)目標(biāo)的散射信號(hào)作為目標(biāo)照射源，通過(guò)四個(gè)接收站測(cè)量到目標(biāo)回波的 TDOA協(xié)同對(duì)空中目標(biāo)進(jìn)行三維定位的系統(tǒng)組成以及具體原理；然后，給出了目標(biāo)和四個(gè)接收站的幾何模型；接著，通過(guò)數(shù)值仿真給出了基于TDOA的空中目標(biāo)被動(dòng)定位問(wèn)題中存在的兩種情況：第一種是三個(gè)TDOA等值面相交于一點(diǎn)，第二種是三個(gè)TDOA等值面相交于兩點(diǎn)；接下來(lái)，針對(duì)目標(biāo)三維位置求解問(wèn)題，提出一種基于TDOA的