非理想条件下的MIMO高频天波雷达杂波分离理论与方法研究

The effective clutter mitigation can be implemented by the joint transmit and receive adaptive beamforming with the range-dependent direction-of-arrival (DOD) in multiple-input multiple-output (MIMO) high-frequency (HF) skywave radar. However, the current approach is based on some ideal conditions, for example, ignoring the effect of azimuth-elevation coupling and assuming sufficient elevation resolution capabilities. Therefore, aiming at this shortage, this research explores a theory and a new approach of clutter mitigation in MIMO HF skywave radar based on the azimuth-elevation coupling and the limited resolution capabilities. Firstly, based on the quantitative analysis of MIMO radar performance influenced by the limited resolution capabilities, a new algorithm is presented with adding some aided transmit beams, and the DOD parameter optimization is implemented with the maximum signal to clutter pluse noise ratio (SCNR) criterion. Secondly, based on the quantitative analysis of MIMO radar performance influenced by the azimuth-elevation coupling, the optimization criterion based on the kernel approach is proposed to minimize the effect of azimuth-elevation coupling. Finally, combining with the Markov model and the matrix perturbation theory, the convergence analysis of the clutter mitigation approach is implemented, and an optimization method based on ICA for the clutter mitigation is presented.

俯仰DOD随探测距离变化的MIMO高频天波雷达通过俯仰向联合发射接收自适应波束形成实现对电离层多模杂波的有效抑制。目前，该方法的应用与性能分析是在方位向俯仰向不存在互耦且俯仰向分辨力足够大等理想条件下获得的。针对该方法理论的不足，本项目拟探索基于方位向俯仰向互耦且俯仰向分辨力受限条件下的MIMO高频天波雷达杂波分离理论与新方法。首先，在定量分析俯仰分辨力受限对MIMO雷达性能影响的基础上，拟提出在目前所采用的俯仰DOD配置的基础上增加辅助发射波束的新方法，使俯仰DOD参数在最大信杂噪比意义上实现最优化。其次，在定量分析方位向俯仰向互耦影响的基础上，拟提出基于核方法的互耦影响最优化方法。最后，结合马尔科夫链模型与矩阵扰动理论分析非理想条件下的收敛性问题，拟提出基于ICA的杂波分离方法的收敛性优化方案，并研究最佳分离矩阵的选取方法。

俯仰DOD随探测距离变化的MIMO高频天波雷达通过俯仰向联合发射接收自适应波束形成实现对电离层多模杂波的有效抑制。目前，该方法的应用与性能分析是在方位向俯仰向不存在互耦且俯仰向分辨力足够大等理想条件下获得的。针对该方法理论的不足，本项目重点研究了分辨力受限与阵列互耦等非理想条件下基于俯仰DOD变化的MIMO高频天波雷达多模传播杂波分离新方法，取得的主要创新点为：（1）针对俯仰DOD分辨力受限的情况，提出了DOD半波束重叠的联合发射接收杂波抑制方法，并提出了基于改进ICA方法的信号与杂波的分离方法，间接提高了DOD俯仰向波束分辨力；（2）考虑到存在阵列互耦情况下的联合发射接收自适应波束形成的性能与杂波干扰方向估计的准确程度有关，本项目研究了阵列互耦条件下的DOA和DOD估计方法，提出一种凸链MUSIC算法以提高L型非均线阵列的方向估计精度。同时，提出一种在线粒子均值漂移方法，用于MIMO天波雷达二维矩形面阵条件下针对单采样点目标数据的阵列互耦校正；（3）提出了一种方向分辨力受限的条件下改进的基于Kalman滤波的MIMO雷达DOA和DOD角度跟踪方法；（4）提出了一种基于SDE建模的粒子滤波方法的MIMO雷达信号干扰条件下的方向维多目标跟踪方法；（5）提出来一种基于虚拟阵元空间平滑法的均匀线阵互耦校正方法；（6）提出一种基于蚁群算法的共形阵列布置及方向图优化方法，为MIMO高频天波收发天线阵列优化部署提供理论支撑；（7）研究了与杂波抑制相结合的改进GLRT信号检测方法，提出了一种结合TBD多帧检测技术的多种信号检测准则相结合的混合信号检测方法。本研究成果提高了高频天波雷达电离层多模传播条件下杂波信号抑制性能，有利于抑制展宽的杂波谱，获得较为“干净”的目标回波谱。此外，还间接提高了DOD俯仰向波束分辨力；改善了存在阵列互耦情况下的联合发射接收自适应波束形成的杂波抑制性能。