天发地收混合体制高频雷达是近十年高频雷达领域的一个新发展方向,它以电离层为传输媒介,利用前向反射的电磁波照射目标区域,回波信号通过海面绕射被地波接收站接收。这种雷达体制,理论上能够克服高频天波雷达中存在的近距盲区以及电离层调制作用剧烈的问题,以及高频地波雷达中常见的垂直向电离层杂波问题。特殊的工作模式克服了上述缺点,但也引入了新的问题,经过分析发现,一阶Bragg峰的频率与双基地角、掠射角和电离层调制作用互相耦合,造成分辨单元内的Bragg峰展宽。与高频天波雷达相比,天发地收混合体制高频雷达中电磁波只经过一次电离层,但是其回波受电离层的调制作用仍然不可忽视,是回波频谱展宽的主要因素。另外,电离层发生多模效应时,多组海杂波相互叠加,更是大大加剧了处理难度。针对这个问题,本文以实测数据为基础,从海杂波特性分析入手,围绕复杂环境下的海杂波抑制算法设计及目标检测技术展开研究。探索了海杂波在距离域、时域、空域和特征谱域的特性,针对这些特性设计了两个单数据集下的杂波抑制算法和一个检测算法。本文首先介绍了天发地收混合体制高频雷达的研究背景、研究目的和意义。然后给出了该雷达系统的研究现状、展宽海杂波特性及模型研究现状和杂波抑制方法等的文献综述。最后,介绍了论文的研究思路和论文结构。第二章首先描述了天发地收混合体制高频雷达的工作原理和系统构成,重点介绍了电波环境诊断和电离层监测设备的工作原理。介绍了雷达采用的线性调频连续波信号形式和传统处理流程,给出雷达信号处理的三维数据块。推导了一阶Bragg峰频率公式,分析了公式中双基地角、俯仰角以及电离层相径扰动三个因素对频谱展宽的影响,并总结了展宽海杂波的成因。首次系统地分析了天发地收高频雷达实测数据中的海杂波特性,研究了海杂波的距离域特性、空域特性和空时协方差矩阵的特征谱,得到了海杂波在距离域非平稳、空域方向性差以及具有明显空-慢时间耦合性的结论。利用替代数据法分析了回波数据的平稳性,得到了目标回波数据平稳、海杂波数据分段平稳的结论。最后,根据特性分析结果,总结了海杂波抑制的难点。第三章提出了展宽海杂波抑制的自适应局域处理算法,作为一种空-频级联算法,克服了纯空域处理无法有效抑制方向性差的杂波的缺点。杂波在距离维的非平稳性,导致在杂波统计特性估计时只有当前距离门数据可用,我们称这种情况为单数据集。利用杂波空间方向性差而目标方向性好的特点,采用空间正交投影矩阵法构造杂波样本。为了降低自适应处理器的样本需求,提出了频域局域处理算法,利用转换矩阵将时域数据转换到感兴趣的频域局域,然后使用最小方差无失真响应滤波器进行杂波抑制。研究了频域处理间隔大小的问题,得到了处理间隔应小于多普勒分辨率的结论。最后,通过仿真和实测数据处理结果验证了算法的有效性。第四章提出了基于子空间信号模型的空时联合处理算法,实现了海杂波抑制的同时对展宽的目标信号有较好的谱峰保持能力。本算法同样是单数据集算法,利用了特性分析研究的另一个结论:海杂波具有空-慢时间耦合性。首先介绍了幅度和相位估计(APES)算法和STAP算法的基本原理。考虑到目标也可能被电离层污染调制展宽,采用了子空间信号模型来表征潜在的目标信号,鲁棒性更高。设计了一种特征向量基,将潜在频率范围内信号的平均协方差矩阵的大特征值对应的特征向量作为基向量。在推导子空间信号APES-STAP算法时,首先介绍了采用的信号模型和单数据集情况下的空时数据构造方法,通过算法分步推导,展示了该算法可以分解为一个两步级联算法:第一步是一个时域投影过程,构造了样本数据;第二步是一个经典STAP算法,计算自适应加权值。最后,通过仿真数据和实测数据验证了算法的有效性。第五章研究了基于分段自回归模型的广义似然比目标检测算法,该算法为非平稳环境下的目标检测问题提供了一种新的思路。传统目标检测流程一般是先进行抗干扰提高信干噪比,然后级联恒虚警检测器进行检测。广义似然比检测理论将目标检测问题利用假设检验理论重新表述,将抗干扰和恒虚警检测合并成为一个步骤。该类算法依然要解决干扰协方差矩阵的估计问题,针对单数据集下大维数协方差矩阵的估计问题,将海杂波建模为时变自回归模型,利用平稳性分析中得到的海杂波分段平稳的特性,提出将海杂波进行分段处理,降低了时变自回归模型系数的估计难度。最后,利用模型系数和协方差矩阵的关系来估计大维数协方差矩阵。推导了检测器的检验统计量。最后,利用仿真和实测数据验证了算法的有效性。最后对全文进行了总结,阐述本文的创新点,并指出进一步可能的研究方向。本文研究成果将提高天发地收混合体制高频雷达的抗干扰能力,提高复杂环境下目标的检测概率,为雷达最终的工程实用打下坚实的基础。研究的单数据集杂波抑制算法具有一定的普遍意义,可以展宽到其它面临复杂背景的雷达检测应用中。