天波超视距雷达空海目标同时探测机理与算法研究

This project will research the crucial scientific issues which now restrict the OTH radar to simultaneous detection of both aerial and water surface targets. To solve these problems, which mainly include multiple phase decontamination of the range-folded clutter, Spread-Doppler clutter (SDC) caused by multi-mode propagation and time division multiplexing simultaneous detection, we will propose ionosphere phase contamination correction approaches based on sparse reconstruction, multistage Taylor expansion, complex energy detection, etc. Adaptive multi-mode clutter suppression algorithms based on best channel selection dimension-reduced STAP and echo state networks will also be proposed. After verifying and improving these theories and algorithms with measured data, achievements can be used for active equipment to enhance OTH radar’s detection ability.

本项目将针对当前制约天波OTH雷达在空中与海面目标同时探测方面存在的关键科学问题，特别是距离模糊海杂波经电离层多次反射（电磁波多跳）引入的复合相位污染校正、复合多模传播引入的海杂波多普勒扩展、时分复用同时探测等问题，提出基于稀疏重构、交互多模的多级泰勒展开、复数能量检测等电离层相位解污染方法，以及基于自适应回声状态网络、通道优选降维的自适应多模杂波抑制理论和算法，以解决空海目标同时探测时远距离海杂波经电离层多次反射淹没海面舰船目标检测等理论问题；用14所实测数据对理论和算法进行实验验证，取得的成果经完善可直接用于现役装备，提高天波OTH雷达目标探测能力。

现今的天波OTH雷达不仅需要对空中快速目标进行探测追踪，也需要对海面慢速目标具备相当的探测能力。对于采用相控阵体制的天波OTH雷达，当多个目标位于不同方向上时，雷达需来回变换波束方向，对它们进行轮流照射和探测。通常情况下，为提高雷达的多普勒分辨率并避免多跳传播对目标探测带来的不利影响，需要采用脉冲重复周期较长的波形对海面目标进行探测。然而，这会导致，雷达对空中目标的前后两次探测之间存在较长的时间间隔。由于空中目标具有运动速度快且轨迹灵活的特点，过长的探测间隔将不利于对进行跟踪和航迹估计。.针对上述问题，本项目讨论了两种方案以实现OTH雷达空海目标同时探测。.第一种是基于序贯正交波形的OTH雷达工作模式。当雷达进行海面探测时，将在相邻的两个脉冲重复周期内发射相互正交的短周期波形。通过减小发射波形的重复周期来缩短对空探测间隔。并且，针对缩短脉冲重复周期导致的多跳传播对海面回波影响加剧的问题，可利用回波跨周期叠加特性以及发射信号的序贯正交性，在匹配滤波阶段实现对多跳成分的抑制。该方案无需在接收端增加额外的多跳回波处理环节，易于工程实现。.第二种为基于信号重构的空海同时探测方案。该方案在对海探测时仍然发射长周期波形，但会在对海探测的一个积累周期内插入数次短时的对空探测，以数倍缩短对空t探测的时间间隔。由于对空探测的插入，海面回波数据积累的完整性将遭到破坏，进而影响雷达对海面目标探测的性能。为此，项目提出了一种基于低秩矩阵恢复的算法对缺损的海面回波进行重构，该方案在数倍缩短对空目标探测间隔的同时，可以保证海面目标探测性能不受影响。.另外，对采用‘短周期+常规波形’进行海面探测的雷达工作模式，多跳传播带来的复合相位污染以及杂波扩展的问题不能忽略，需在接收端信号处理时被妥善解决。针对电离层复合相位污染，本项目对现有的基于复数能量检测算法、稀疏重构算法和多级泰勒展开算法进行了扩展，使它们能被用于复合相位污染的校正。针对多跳杂波抑制问题，基于杂波滤波器、广义旁瓣对消模型和神经网络提出了三种方法。仿真结果表明，以上方法均可以有效地对多跳杂波进行抑制。