基于唯多谱勒的被动雷达信号处理技术研究

利用非合作机会辐射源的被动雷达是现在雷达技术的一个重要发展，引起了国际雷达界越来越多的重视。由于自身不需要发射站，被动雷达具有很多优势。其中最重要的是被动雷达对于信号侦察而言本质上是不可探测的，同时在频段分配使用上也没有限制。在被动雷达技术中，时延、多谱勒频移和方向角等参数是可能的探测依据。其中的一种、两种或全部被利用来对动目标进行定位和跟踪。便利、普遍使用的辐射源信号是FM广播信号和电视广播信号。 本文主要研究了利用电视信号为照射源，基于唯多谱勒频移的被动雷达信号处理技术。研究了信号处理模型，提出了高效的电视信号载频估计方法以及多谱勒频移估计方法，首次证明了系统可观测性条件，同时推导了系统定位精度，得到了些重要结论。归结起来本文的主要贡献包括以下几个方面： 1)建立了广义接收信号模型以及研究分析了电视信号的特性，在此基础上建立了基于电视信号的被动雷达信号处理模型，目标回波信号和接收信号模型。这对于利用电视信号的被动雷达系统研究奠定了基础。 2)针对高效的电视信号载频估计和跟踪问题，提出了一种新颖的快速、高精度的单频估计方法，由于该方法运算速度快，可以用于实时地对载频进行跟踪，其性能可以逼近Cramér-Rao下界。另外，提出了基于相位差分和基于自相关的两种快速、高精度的载频估计方法，其性能均可以达到Cramér-Rao下界。 3)针对目标回波的多谱勒频移估计问题，提出了利用一个新颖的频率余量鉴辨器对傅立叶变换结果进行高效的频率插值的算法，该快速算法可以达到Cramér-Rao下界。在背景噪声相对较弱的情况下，这种方法可以有效的计算多谱勒频移。提出了一个利用对复正弦信号的泰勒级数展开，并结合快速的傅立叶变换来计算非均匀的离散傅立叶变换的新方法，该算法比最小—最大方法和其他插值计算非均匀的离散傅立叶变换具有更高的计算精度。这种方法更适合在背景噪声相对较强的情况下，计算多谱勒频移。 4)分析了利用多谱勒频移来对目标定位的基本特性和性能。首次推证了在二维平面上的系统可观察性，定量推导了系统可观测度，同时导出了双多基地的定位的Cramér-Rao下界的表达式，为该类系统研究奠定了坚实的理论基础。 5)进一步研究，揭示了定位性能和发射站数目之间的不寻常的关系，并指出，只利用多谱勒频移信息，被动雷达理论上可以达到一个与常规雷达可比拟的精度。通过建立的系统仿真模型和经典场景仿真结果，验证了结论。