[发明专利]基于AR模型外推的天波超视距雷达短时探测方法

说明书

本发明公开了基于AR模型外推的天波超视距雷达短时探测方法。该方法利用Burg法对经空时域处理后的原始脉冲数据进行AR模型重构外推，并综合利用原始数据与重构数据，使得到的结果与真实频谱紧密相关，又引入了重构数据的改善效果，大尺度模型阶数与外推长度的采用，提高了外推的效果，在改善谱估计效果的同时避免了畸变产生的可能。具体步骤见附图。技术并不局限于天波超视距雷达系统，可广泛应用于多种类型的大型相控阵雷达，具有推广应用价值。

技术领域

本发明涉及雷达信号处理领域中的多普勒谱估计方法，适用于天波超视距雷达的信号处理系统，可以用于相干积累时间较长的慢速运动目标检测和需快速探测的机动目标检测。同时，核心理论和方法还可应用于其他多种存在短时探测需求的信号处理系统中。

背景技术

天波超视距雷达利用电离层对电磁波的反射实现对视距外目标的检测，覆盖范围大，能够提供远程预警情报信息，其工作距离相对传统视距雷达增加达一个数量级以上。由雷达方程可知，要实现这一目标，系统接收到的SNR(Signal Noise Ratio)相对常规雷达会低40dB，须通过各种措施加以补偿。为此，天波雷达系统的发射功率通常设计为200-600kW，较常规雷达高20dB，部分补偿了SNR的损失，但进一步提高发射功率受到器件稳定性等一系列限制。另一方面，由于天波雷达工作在波长较长的高频频段，受此局限，天线电孔径难以扩展，天线增益提升有限，只能从积累时间上来挖掘潜力。因此，天波雷达探测飞机目标的典型CPI(Coherent Processing Interval)为1-4s，这些CPI较微波雷达所采用的毫秒级CPI要高100倍，有效补偿了天波雷达由于传播路径的增加而引入的传播损耗。探测舰船目标时，为了从强海杂波中分辨目标，CPI还需进一步提升至10-40s或更高。

然而，相干积累时间的增加带来了其他问题。首先，相干积累时间与数据率成反比，增加相干积累时间必然牺牲系统数据率，不利于目标的发现和跟踪。尤其对一些快速机动目标，时间较长时信号能量不能有效积累，影响此类目标的检测。其次，在长相干积累时间下，外部电磁环境非平稳变化的可能性大大增加，对回波信号的调制机理更复杂，导致海杂波谱呈现展宽、弯曲、漂移等现象，严重影响对舰船等慢速目标的有效检测。因此，缩短目标探测所需的相干积累时间有助于提升天波雷达系统性能。为此，在天波雷达多普勒谱分析中引入超分辨谱估计技术成为一种趋势。但是，一般超分辨谱估计方法如AR谱估计、MUSIC算法等存在阶数难以判定和对低信噪比目标估计效果差的问题，实用性难以保证。

针对这些问题，文献[1]Guiseppe Aureliano Fabrizio，”HIGH FREQUENCY OVER-THE-HORIZON RADAR FUNCAMENTAL PRINCIPLES，SIGNAL PROCESSING，AND PRACTIACALAPPLICATIONS”，McGRAW Hill，2013，提出利用低阶AR模型可以精确反映天波雷达地海杂波多普勒谱的特性，通过建立在杂波低阶AR模型上的数据外推可以实现相干积累时间的减半，解决了常规超分辨谱估计方法实用性差的问题。但该方法的AR模型实质上没有计入可能存在的目标信号，而是利用相干积累过程中幅度加权中间高、两边低的特点，降低外推部分在最终多普勒频谱中的比例和权重，从而减小因模型失配引起的误差，在探测目标时存在信噪比损失，对所需相干积累时间的缩短也只有一半。只能起到将系统数据率提高一倍的效果，对单帧数据中的目标检测并无改善。

发明内容

本发明的目的在于解决天波雷达探测快速机动目标和慢速舰船目标面临的困难和问题，克服已有技术的不足。在不改变系统硬件结构的前提下，以尽可能小的代价，实现多种目标的正常探测与跟踪。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种基于AR模型外推的天波超视距雷达短时探测方法，包括如下步骤：

(1)利用雷达固有的S个通道，将雷达接收数据X送入信号处理系统，对X进行空域波束形成、时域脉冲压缩与瞬态干扰挖除，形成M×N×P维方位-距离-脉冲数据矩阵Z，M为形成的方位波束数，N为距离单元数目，P为脉冲数目；