开题报告

1中国海洋大学本科毕业论文（设计）开题报告题目高频地波雷达微弱目标检测技术研究院系工程学院自动化及测控系专业自动化(年级)0000级学生姓名xxxxxx学号xxxxxxxxxxxx指导教师xxxx教务处制表2014年03月25日2一、选题依据课题来源、选题依据和背景情况；课题研究目的、学术价值或实际应用价值课题来源：xxxxxxxxxx选题依据：高频地波雷达和其它海洋监测设备相比具有超视距、监测面积大、全天候、费用低等优点。高频地波雷达对探测隐形目标具有潜在的效能(存在使目标隐形失效的频率)，而且能有效地对抗反辐射导弹，生存能力较强，因此在军事上也有着重要用途和巨大潜力。高频地波雷达能够实现船只及低空飞行目标的超视距探测，提供目标的距离、方位和速度（多普勒）信息。同时，由于雷达回波中含有丰富的海洋动力环境参数信息，由这些回波信号可以提取海面流场（径向流速）、风场（风速、风向）和海浪谱等信息，从而为海洋环境探测、海洋气象预报等领域服务。概括而言，船只目标和海态探测是地波雷达的两大能力，但由于地波雷达工作在复杂干扰环境中，存在的各种干扰和噪声使得期望信号淹没在噪声中，严重制约了地波雷达的应用范围。背景情况：地波雷达探测的精确度受到很多因素的影响，在船只目标探测方面受到的干扰形式主要有海杂波、地杂波和电离层等强杂波的影响，同时还具有较高的背景噪声，这些干扰因素使得远距离船只目标回波信号淹没在各种强杂波和噪声当中。在探测船只目标时，海杂波是需要抑制的干扰，而在探测海态时，海杂波却是需要提取的重要信息。如利用地波雷达一阶海杂波的频偏能得到径向流速，二阶峰能反演海浪谱（有效波高）及风速，可见二阶峰的精确提取对于风、浪场的反演至关重要。但在复杂环境下，地波雷达二阶谱非常微弱，二阶谱区的提取非常困难，传统的信号处理方法提取精度不高有时甚至是错误的。综合上述分析，目前地波雷达存在的主要问题是：（1）探测远距离船只目标的能力受到限制；（2）复杂环境下二阶谱信息估计不准确。这两个因素一直制约着地波雷达系统的进一步应用，也是地波雷达信号处理中迫切需要解决的难点问题。针对复杂干扰环境下高频地波雷达微弱目标信号的探测问题，目前采用的主要思路是从去除杂波的角度进行研究，试图通过抑制强杂波背景下的干扰进行抑制来凸显目标信号，达到提高信噪比的目的。然而，杂波抑制本身存在困难，而且很多情况下在抑制杂波的同时，目标信号也被削弱。本项目拟通过分析高频地波雷达杂波、背景噪声和信号所呈现出的不同时频特征，基于混沌振子理论直接检测出超低信噪比下的微弱信号，为高频地波雷达在复杂环境下检测微弱信号提供一种新的理论和方法。课题研究价值：本课题在深入分析高频地波雷达回波信号特性基础上，开展基于混沌振子理论的地波雷达微弱回波信号检测方法研究。利用混沌振子对微弱周期信号敏感并对噪声免疫的特性，以及高频地波雷达回波所具有的线谱和窄带谱特征，研究地波雷达微弱回波信号的提取方法，从而有效提高地波雷达在复杂环境下的适用能力。3二、文献综述国内外研究现状、发展动态；查阅的主要文献近年来，针对低信噪比情况下地波雷达微弱目标的检测国内外也展开了研究，比较典型的方法有：文献[5]利用互相关方法并结合匹配滤波器解出发射信号进而检测海面小目标。文献[6]利用一种改进的空时自适应处理方法对非均匀电离层杂波背景下的目标回波信号进行探测，理论上该方法的探测精度优于传统的联合区域降维处理方法。文献[7]针对高频地波雷达的海浪谱估计提出了一种基于正则化反演的矩阵方程求解方法。这些方法对于检测信噪比大于-5db情况下的目标信号具有一定的效果，但在更低信噪比并且存在非平稳干扰的复杂环境下，传统的信号处理方法不能得出很好的检测结果。针对从极低信噪比环境下提取微弱信号的问题，近年来普遍受到关注的方法有基于duffing混沌振子模型的方法，并在很多领域有应用，成为研究热点。该方法理论上在-66dB超低信噪比情况下仍能精确地检测出微弱的目标信号，并且该方法对白噪声具有免疫特性。文献[1]利用duffing混沌振子对高频地波雷达回波信号做了初步分析，检测回波信号的幅值和相位，结果显示混沌振子分析法比传统的FFT方法信噪比降低了5dB。文献[3]利用duffing混沌振子列及阵发混沌完成了微弱舰船轴频电磁场信号频率检测，并提出了最优阻尼比的选取，减少了混沌振子的数量以及计算量。文献[2]duffing混沌振子列实现了1-10Hz弱正弦信号频率检测，并讨论了对噪声的免疫特性，提出通过信号记录和重放实现其他频率范围弱正弦信号频率测量。文献[4]提出了一种基于最优化方法求微弱正弦信号频率的方法。主要文献[1]周玲,田建生,刘铁军.Duffing混沌振子用于微弱信号检测的研究[J].系统工程与电子技术,2006,28(10):1477-1479.[2]李瑜,章新华,肖毅,等.杜芬振子阵列实现弱正弦信号频率检测[J].系统仿真学报,2006,18(9):2650-2652.[3]毛伟,林春生,张宁.基于混沌振子列的微弱舰船轴频电磁场信号频率检测[J].海军工程大学学报,2009,21(4):17-20.[4]郭彬.基于Duffing混沌系统的微弱信号检测方法研究[D].吉林大学,2007.[5]IslamMS,HanH,LeeJI,etal.SmallTargetDetectionandNoiseReductioninMarineRadarSystems[J].IERIProcedia,2013,4:168-173.[6]ZhangX,YangQ,DengW.WeakTargetDetectionwithintheNonhomogeneousIonosphericClutterBackgroundofHFSWRBasedonSTAP[J].InternationalJournalofAntennasandPropagation,2013,2013.[7]LiL,WuXB,LongC,etal.RegularizationinversionmethodforextractingoceanwavespectrafromHFSWRseaecho[J].DiqiuWuliXuebao,2013,56(1):219-229.4三、研究内容1．学术构想与思路；主要研究内容及拟解决的关键问题（或技术）学术构想与思路：传统的低信噪比情况下地波雷达微弱目标检测方法对于检测信噪比大于-5dB情况下的目标信号具有一定的效果，但在更低信噪比并且存在非平稳干扰的复杂环境下，传统的信号处理方法不能得出很好的检测结果。混沌现象是某种特定的非线性系统产生的一种随机运动。Duffing混沌振子就是这样的非线性系统。利用混沌理论进行弱信号检测，已经取得了一些研究成果，其原理基本一致。Duffing混沌系统具有对白噪声免疫的特性以及对同频率微弱正弦信号敏感的特性，即白噪声不会改变混沌系统状态，而同频率的微弱正弦信号将会改变系统的状态，从而可以检测信号的有无。利用lyapunov指数可以判断系统状态的改变以及计算幅值阈值。运用阵发混沌原理和利用混沌阵子列，测量待测信号频率。主要研究内容：（1）混沌阵子对微弱周期信号敏感并对噪声免疫的特性。（2）利用混沌振子理论检测微弱正弦信号频率、幅值和相位，并进行误差分析。（3）加入地波雷达实测数据，检测微弱目标信号频率、幅值和相位。2．拟采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析拟采取的研究方案：高频地波雷达微弱目标检测包括频率、幅值和相位的测量。在一般的duffing混沌振子进行微弱目标检测时，是针对频率已知的，因此，首先要测量频率。（1）文献[3]利用混沌振子列和阵发混沌原理完成了微弱舰船轴频电磁场信号频率检测的测量，并提出了最有阻尼比的选择。可将此方法应用于高频地波雷达微弱目标频率的测量，并通过多次测量取平均值来减小误差。（2）文献[1]利用duffing混沌振子完成了幅值和相位的检测，所得结果比传统的FFT方法信噪比降低了5dB。本设计将主要基于上述两篇文献所给的方法完成地波雷达微弱目标检测的处理流程。可行性分析：目前，duffing混沌振子用于微弱正弦信号幅值、相位和频率的检测在理论和仿真研究上已经比较成熟。因此，在进行高频地波雷达微弱目标检测时，可以借鉴以前的研究成果，但将duffing混沌振子应用于高频地波雷达微弱目标才刚刚起步，还要进行更加深入的研究和改进。5四、论文（设计）进度安排起止时间主要内容预期目标第1、2周查阅、收集、整理资料查阅资料，了解设计所需相关的基础知识，规划确定总体方案。第3、4周学习duffing混沌振子系统弱信号检测理论熟练掌握duffing混沌振子系统弱信号检测以及高频地波雷达回波信号特性第5、6周学习使用MATLAB编程学习使用MATLAB构造duffing混沌振子系统并利用龙格-塔图方法求解非线性方程第7、8周加入模拟信号数据测量信号频率、幅值和相位使用MATLAB编写测量幅值和相位、频率的程序，进行仿真调试，并进行误差分析，计算信噪比，与传统弱信号检测方法进行比较第8、9周加入雷达实测数据测量信号频率、幅值和相位加入雷达实测数据测量信号频率、幅值和相位，完成微弱目标检测第10、11周组织材料，撰写论文完成论文初稿第12、13周对论文初稿进行修改补充完成论文终稿6五、审核意见导师意见导师签字:年月日审核小组意见审核小组成员签字：年月日注：1、表格不够可加附页。2、审核小组应至少由三位具有高级职称的教师组成；必要时可召集开题报告会。