多站被动超视距雷达时差定位及相关问题研究

摘要

多站被动超视距雷达是一个在超视距雷达和被动雷达基础上发展起来的对超视距海面目标进行探测定位的雷达系统。该雷达不但克服了沿视线传播的被动雷达作用距离受视距限制的缺点，而且克服了传统地波超视距雷达目标分辨单元过大的不足，除了具备被动雷达隐蔽性强和具有良好的反隐身性能的优点之外，还具备对海面超视距目标的探测和高精度定位能力。因此，多站被动超视距雷达是隐蔽、高精度地获取超视距海面目标位置信息的重要途径，比传统的被动雷达和超视距雷达更具优势，具有重要的研究价值和意义。
　　本文主要以三个发射站一个接收站的多站被动超视距雷达为研究背景，从提升超视距目标定位精度的实际需求出发，针对多站被动超视距雷达中时差定位及其相关问题进行了深入系统地研究，包括多个发射站单个接收站体制下，基于目标回波相对于直达波时延差的视距以外的海面目标定位方法、目标定位精度分析、窄带信号的时延超分辨估计、相关信源的角度超分辨估计；同时，针对空中目标的三维位置估计问题，研究了单个发射站多个接收站体制下，依据目标回波到达四个接收站时延差的空中目标高精度无模糊定位方法，丰富完善了被动雷达目标定位的理论体系。本文主要内容可概括如下：
　　第一部分，利用目标回波TOA(Time of Arrival)信息的超视距海面目标被动定位方法。首先，介绍了包含三个发射站一个接收站的多站被动超视距雷达系统组成以及信号模型；然后，阐述了利用三个目标散射回波TOA信息对超视距海面目标的定位原理；接着，研究了球面三角学理论下的目标位置求迭代解算法；接下来，研究了迭代初值的选取方法；最后，针对目标位置求解算法中可能出现的定位模糊问题，提出了不需要其他测量值的假设检验解模糊算法，有效地解决了定位模糊问题。
　　第二部分，利用目标回波TOA信息的超视距海面目标被动定位精度分析。首先，给出了参数测量精度和目标定位性能评估指标；其次，讨论了多站被动超视距雷达中影响目标定位性能的主要因素，进一步指出TOA测量误差以及发射站、接收站和目标之间的几何位置关系是影响目标定位性能的两个主要原因；再次，推导了目标定位的克拉美罗下界(CRLB)，利用CRLB分析了给定TOA测量误差下，目标位置估计所能达到的最优性能；最后，推导了目标定位几何精度因子计算公式，在给定参数测量精度下，分析了各个发射站、接收站和目标之间几何位置的不同对目标定位精度的影响。
　　第三部分，窄带信号压缩感知超分辨TOA估计。首先，给出了窄带信号TOA估计稀疏信号模型；然后，针对采用匹配滤波对窄带信号进行TOA估计存在的分辨率差的问题，提出一种基于压缩感知技术的窄带信号的高分辨率TOA估计方法，实现了对窄带信号的超分辨TOA估计；最后，针对传统稀疏重构算法运算量大和占用内存多的问题，提出了一种改进的分裂增广拉格朗日稀疏重构算法，显著降低了计算复杂度和内存占用量，提升了TOA估计的实时性。
　　第四部分，采用稀疏贝叶斯学习的相关信源超分辨DOA(Direction of Arrival)估计。首先，分析了利用目标回波DOA信息对多个目标情况下的将目标与其正确的TOA测量值进行数据关联的原理；然后，采用最大后验概率准则，对多快拍实值测量模型下的稀疏贝叶斯学习理论进行了介绍；接下来，利用酉变换将均匀线阵的阵列接收数据变为实值增广数据矩阵并将其在实值稀疏字典矩阵下稀疏表示，得到基于酉变换的稀疏DOA估计信号模型；接着，提出了一种改进的酉稀疏贝叶斯学习DOA估计算法(USBL)，该算法不仅节省了计算量，而且具有更优的角度分辨能力，能有效地对角度间隔较小的相关信源的DOA进行估计；最后，对该算法的计算复杂度进行了分析。
　　第五部分，基于TDOA的空中目标被动定位方法。首先，分析了利用外辐射源对目标的散射信号作为目标照射源，通过四个接收站测量到目标回波的 TDOA协同对空中目标进行三维定位的系统组成以及具体原理；然后，给出了目标和四个接收站的几何模型；接着，通过数值仿真给出了基于TDOA的空中目标被动定位问题中存在的两种情况：第一种是三个TDOA等值面相交于一点，第二种是三个TDOA等值面相交于两点；接下来，针对目标三维位置求解问题，提出一种基于TDOA的无模糊目标三维位置求解算法以及相应的迭代初值选取方法，可实现对空中目标的无模糊高精度定位；然后，对所提迭代算法的收敛性进行了证明并指出了该算法具有较快收敛速度的原因；最后推导了基于TDOA的空中目标三维定位的CRLB和GDOP公式。
　　理论研究和仿真分析结果表明，本文为多站被动超视距雷达系统的工程实现奠定了坚实的理论基础。

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目录

第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究现状

1.3多站被动超视距雷达中的关键技术

1.4本文的主要工作与内容安排

第二章 基于TOA的超视距海面目标被动定位方法

2.1引言

2.2多站被动超视距雷达接收信号模型

2.3基于TOA的海面目标被动定位原理

2.4基于TOA的海面目标被动定位

2.5计算机仿真

2.6本章小结

附录A 式(2-26)~式(2-31)的推导

附录B 式(2-32)迭代收敛性的证明

第三章 基于TOA的超视距海面目标被动定位精度分析

3.1引言

3.2目标定位的CRLB性能分析

3.3目标定位GDOP精度分析

3.4计算机仿真分析

3.5本章小结

第四章 窄带信号压缩感知超分辨TOA估计

4.1引言

4.2压缩感知理论概述

4.3信号模型

4.4窄带信号压缩感知超分辨TOA估计稀疏重构算法

4.5计算机仿真与分析

4.6本章小结

第五章 相关信源稀疏贝叶斯学习超分辨DOA估计

5.1引言

5.2稀疏贝叶斯学习理论

5.3基于酉变换的DOA估计稀疏信号模型

5.4基于酉变换和稀疏贝叶斯学习的DOA估计

5.5计算机仿真与分析

5.6本章小结

第六章 基于TDOA的空中目标三维高精度定位方法

6.1引言

6.2三维目标TDOA定位信号模型和原理

6.3存在定位模糊的目标三维位置闭式解

6.4无定位模糊的目标三维位置求解算法

6.5算法收敛性分析

6.6计算机仿真与分析

6.7本章小结

附录A 基于TDOA的空中目标三维定位CRLB推导

附录B 基于TDOA的空中目标三维定位GDOP推导

第七章 总结与展望

7.1本文内容总结

7.2论文创新点

7.3工作展望

参考文献

致谢

作者简介

1. 基本情况

2. 教育背景

3. 攻读博士学位期间的研究成果