高频地波雷达总体方案及工程实施中的几个主要问题

从线性调频中断连续波(FMICW)基本原理出发,结合雷达方程和相控阵技术,阐述了在OSMAR2000总体设计和研制过程中遇到的几个主要问题,如雷达探测性能估计、雷达波形设计、雷达参数的选择、相控阵形式、I/Q形成方式、数据采集与Doppler提取、距离混迭与Doppler频率混迭、零频干扰等.东海现场实验表明,采用120m八元相控天线阵,"一发八收”、收发共用天线工作模式,平均发射功率100W,可实现200km,120°扇面海流探测和100km风浪探测.     

海洋回波模拟与定标

根据雷达探测的原理,利用超声延时线对高频地波雷达射频信号延时一个固定时间的方法,实现了对探测目标距离的模拟。并根据模拟回波信号中包含有相应的多谱勒谱的信息,模拟了海流的流速。该模拟海洋回波信号可以模拟56.7km距离的雷达回波,可以模拟流速为55,5.5,2.75cm/s的海流,解决了高频地波雷达的实验室调测和定标,缩短了雷达的研制周期。     

高频地波雷达信号波形分析

根据雷达设计的一般原理,综合研究了雷达波形分析的一般概念、处理技术和主要结果;尤其对国家863计划海洋领域重大课题要求研制的高频地波雷达的特殊需要,深入研究了线性调频中断连续波（FMICW）的基本理论、波形参数和处理方法,使之成为高频地波雷达OSMAR2000信号波形设计的基础。     

两种脉冲压缩方法性能比较

根据高频地波雷达探测海洋表面状态参数时,雷达系统要同时具备较高的距离分辨率和速度分辨率的基本原理,结合大范围内的连续目标的特殊性,本文从6个方面比较了线性调频中断连续波与伪随机码调相连续波两种脉冲压缩方法的性能特点,解决了雷达总体设计时工作波形选择的问题。结论指出,考虑到工程实现时设备的复杂程度,海洋探测高频地波雷达,采用线性调频中连续波体制较合适。     

奇异值分解在海洋回波多普勒信息提取中的应用

运用矩阵奇异值分解原理,分析了功率谱估计对探测海洋表面信息和硬目标信号的意义,对接收信号的自相关矩阵进行分解以提高谱估计的分辨率,并将处理后的方法对实测数据进行功率谱的估计,与处理前的回波谱图进行比较,实验证明,得出的奇异值分解方法可以改善多普勒回波功率谱的性能,满足高频地波雷达的目标探测要求。     

基于脉间频率步进信号的高频地波雷达回波信号处理

针对高频地波雷达探测海面低速移动目标的要求，研究了脉间频率步进高频雷达接收系统的结构，给出了回波信号的采集方式，推导出了相应的数学解析式；分析了利用滑动时间窗方法和二次FFT算法提取目标信息的原理，给出了获得目标的距离谱和速度多普勒谱的方法。模拟结果表明，该信号采集方式和处理方法能够保证系统要求的距离和速度分辨率，提高回波的信噪比，并能准确获得目标的距离和速度信息。研究结果为脉间频率步进高频雷达的设计提供了依据。     

高频地波雷达的东海试验

“高频地波雷达海洋环境监测技术”是由武汉大学主持的国家“863”计划海洋领域的重大课题,本课题组研制了两套高频地波雷达OSMAR2000,并于1999年底,在浙江省舟山市朱家尖和宁波市象山分别建立了两个雷达实验站,进行了一年的现场自检试验和与传统海洋测量仪器的对比验证试验.试验结果表明,雷达探测海流和海风的距离达到200km,探测浪高的距离达到120km,系统整体性能达到国外同类雷达20世纪90年代后期先进水平.     

FMICW雷达海洋回波信号频率间断点和频率混叠的处理

根据Donald E.Barrick提出的线性调频中断连续波（FMICW）雷达信号处理方法,探测海洋表面回波距离、Doppler频移和角度信息。研究了当使用FMICW雷达实现天线的收发共用时,雷达接收和发送矩形脉冲串两项因素引起的频率混叠,以及周期线性调频连续波（FMCW）存在频率间断点对Doppler谱的影响。提出了采用FMICW雷达天线收发共用时,处理频率间断点和频率混叠的方法。利用浙江舟山实验数据进行处理,证明该方法可行。     

宽波束高频地波雷达海面回波谱的数值模拟

根据高频无线电波海洋回波谱理论,结合高频地波雷达单站探测的实际应用,建立了一个适合于研究高频地波雷达信号处理的海面回波多普勒谱的数值模型,模型包含一阶峰、海流、二阶谱、硬目标回波、地形阻挡和噪声等成分,模型输出具备实测多普勒谱的典型特征,可用于检验高分辨率空间谱估计算法和海态参数的反演算法。     

DDS芯片AD9854的噪声分析与应用

通过离散傅立叶变换和傅立叶变换得到了直接数字合成(DDS)的相位截断杂散、背景噪声和非线性杂散分布规律，并且用AD9854设计了高频地波雷达频率综合器。设计中根据DDS噪声分布特点从电路布局和控制字设定两个方面进行了改进，减小了DDS的主要杂散。实验证明，该方法提高了高频地波雷达发射信号的无杂散动态范围(SFDR)约10dB，增大了高频地波雷达的探测距离。     

高频地波雷达接收机研制

论述了调频中断连续波（FMICW）信号解调原理,分析了用于海洋环境监测、采用FMICW体制接收机的特点,给出了相控阵高频地波雷达多通道接收机的技术要求及设计要点,对工作在干扰和噪声特别大环境中的短波低频段接收机提出了应采取的抗干扰措施。现场实验表明,该多通道接收机在选择性、灵敏度和抗干扰性能方面达到了设计技术指标要求。     

高频地波雷达宽带收发开关

根据共站高频雷达的工作原理和PIN二极管的物理特性,研制了应用于高频地波雷达OSMAR2000的收发开关电路,实现一付相控阵天线收发共用,大大减少占地面积和投资。这种具有宽带特性的收发开关采用双时宽双极性脉冲控制,电路简洁,效率高,脉冲波形好,工作稳定可靠。     

高频地波雷达可编程同步控制器的FPGA实现

采用FPGA器件对高频地波雷达中的可编程同步控制器进行了设计，在FPGA器件中使用可实时进行雷达波形参数读写的内部存储器，通过对存储的雷达波形参数进行处理后得到了所需的雷达波形，从而实现了同步控制器的可编程性。     

基于虚拟跳频的高频雷达编队目标分辨方法

针对宽波束方式的线性调频高频地波雷达在海洋硬目标探测中会把编队多目标识别成点目标的问题,提出了线性调频高频雷达的虚拟跳频模式,给出了跳频间隔的选取以及幅度和相位补偿的原则,并在线性调频高频地波雷达中,对其回波信号采用虚拟跳频的处理方式来提高编队目标分辨能力.实验结果证明,这种虚拟跳频的处理方式能够改善角分辨力,对线性调频的高频雷达具有重要的工程意义.     

高频地波雷达提取海面散射特性的高分辨算法

基于波束定向理论 ,提出了提取高频地波雷达遥感海面散射特性的一种高分辨细分算法 .与 MUSIC算法相比 ,该算法数据处理的结果不仅含有海流的信息 ,还含有海浪的信息 .文中给出了计算机模拟结果 ,并针对雷达的工作体制 ,说明了具体工程的实施方法 .     

多通道多频高频地波雷达DDS数字信号源的设计

采用直接数字频率合成技术(DDS)产生多频高频地波雷达信号波形,使用现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)设计多通道多频高频地波雷达DDS数字信号源,提出了运用FPGA芯片实现该信号源的一种方案.该方案的系统组成包括PC机软件、LXI接口电路、控制模块、多通道DDS系统和加法器.该信号源输出为四通道单频信号及四通道信号加权叠加合成的多频信号.系统输出频率为3～30 MHz,输出信号无杂散动态范围(SFDR)优于62 dB,输出信号相位噪声优于132 dB/Hz,实验结果可满足多频高频地波雷达发射和接收系统的要求.