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垂直极化的高频电磁波能够实现沿海面绕射传播，具有传播衰减小和可以沿着弯曲的地球表面传播等特性。同时，高频波段恰好处于飞机和舰船的谐振区，并且数十米的波长会让现有的隐身涂层完全失效，这使得高频地波超视距雷达在反隐身、抗低空突防以及超视距探测等方面具有得天独厚的优势。在现有岸基高频地波雷达中，主要用于目标探测的雷达系统多为大型阵列结构。然而，随着海洋在国民经济中占有越来越重要的地位，大面积地占用稀缺海岸资源已经成为限制地波雷达发展的重要因素。因此，亟需发展一种以目标探测为主的高频地波雷达小孔径阵列系统。
小孔径的高频地波雷达系统虽然极大地减小了占地面积，但同时也为信号处理方法的研究带来巨大挑战。这是因为该系统不但具有通道采样数据少和相干信源多等高频雷达的固有问题，而且更小的阵列孔径会限制雷达对目标的空间分辨能力和估计精度，同时大量地减少了阵列自由度。因此，本文针对上述几个关键技术问题进行了重点讨论与研究，建立了相应的数学模型，为高频地波雷达小孔径阵列信号处理方法的研究提供一定理论支持。本文主要取得的成果如下：
1.首先对小孔径高频地波雷达的信号处理流程，如距离处理、多普勒处理以及方位处理进行了理论分析和数学推导。该系统中常用的方位估计方法主要包括数字波束形成方法、多重信号分类方法和旋转不变子空间方法。然后在小孔径阵列条件下，深入地研究了上述三种方法的空间分辨能力以及性能限制条件。给出了高频地波雷达阵列小孔径的定义和模型，推导了该阵列空域波束间的相关系数。最后通过仿真和实测数据中的电台、海杂波以及电离层杂波信号验证了结果的正确性。
2.小孔径高频地波雷达进行方位估计时，常常受到阵列单元数过少、空间快拍严重不足以及相干信号较多等问题的影响，极大地限制了系统对目标的空间分辨能力和估值精度。论文通过对压缩感知理论中信号稀疏表示、感知矩阵设计和信号重构等问题的研究，提出了基于压缩感知和极化插值的联合波达方向（DOA）估计方法。该方法首先利用正交匹配追踪算法估计信源个数和粗略方位信息，以解决少快拍和相干源问题。然后为降低目标未处于离散网格点时产生的估计偏差，建立了基于连续基追踪（CBP）算法的空域极化插值模型，并求解约束优化问题得到任意方位目标的准确估计结果。最后，为进一步提高算法性能，推导了最小均方误差函数模型，对CBP估计偏差较大的结果进行修正。仿真与实测结果表明，该方法显著地提高了目标的超分辨成功概率和DOA估计精度，且对相干信号和少快拍情况具有较好的适用性。
3.由于小孔径阵列的主瓣旁瓣比相对较低，旁瓣上的强干扰会严重地限制雷达在主瓣方向上目标探测性能。鲁棒自适应波束形成（RAB）方法可以较好地解决该问题，但传统RAB方法因为受到相干源、波束指向偏差以及采样协方差矩阵中包含期望信号等问题的影响，而使其输出性能远远低于最优值。为有效地应对上述问题，论文提出了一种基于干扰-噪声协方差矩阵和期望信号阵列导向矢量联合估计的鲁棒自适应波束形成方法。该方法首先建立一个二次约束模型，使重构的干扰-噪声协方差矩阵尽可能地逼近于理想协方差矩阵。然后根据压缩感知和总体最小二乘方法推导出该优化问题的解析解，降低了计算复杂度。最后，以向量空间映射理论为基础，通过引入子空间交替映射算法可以得出准确的期望信号导向矢量估计值。实验结果表明，本文提出算法的输出性能逼近最优值，且可对实测电台干扰进行有效地抑制。
4.占据一定距离-多普勒-角度单元的电台与杂波会极大地降低高频地波雷达系统的检测性能。尤其对于小孔径高频地波雷达，其阵列自由度更少，且被展宽的电台与杂波角度谱使得目标更容易被其淹没，很难被检测。为了克服上述问题，提出了一个种基于空间多波束和最优样本选择的主瓣电台与杂波抑制算法。该方法首先以第2章中得出的阵列、电台和杂波空域特性为基础，提出了一种基于辅助波束的训练样本获取方法。然后通过分析实测数据中电台和杂波的距离或多普勒维相关性，提出了辅助波束和统计样本的选取准则。最后，通过在主波束中剔除电台和杂波信息对其实现有效的抑制。仿真实验与实测结果表明，本方法明显地提高了被淹没目标的检测概率，并具有很强的幅相误差和指向偏差鲁棒性。
小孔径的高频地波雷达系统虽然极大地减小了占地面积，但同时也为信号处理方法的研究带来巨大挑战。这是因为该系统不但具有通道采样数据少和相干信源多等高频雷达的固有问题，而且更小的阵列孔径会限制雷达对目标的空间分辨能力和估计精度，同时大量地减少了阵列自由度。因此，本文针对上述几个关键技术问题进行了重点讨论与研究，建立了相应的数学模型，为高频地波雷达小孔径阵列信号处理方法的研究提供一定理论支持。本文主要取得的成果如下：
1.首先对小孔径高频地波雷达的信号处理流程，如距离处理、多普勒处理以及方位处理进行了理论分析和数学推导。该系统中常用的方位估计方法主要包括数字波束形成方法、多重信号分类方法和旋转不变子空间方法。然后在小孔径阵列条件下，深入地研究了上述三种方法的空间分辨能力以及性能限制条件。给出了高频地波雷达阵列小孔径的定义和模型，推导了该阵列空域波束间的相关系数。最后通过仿真和实测数据中的电台、海杂波以及电离层杂波信号验证了结果的正确性。
2.小孔径高频地波雷达进行方位估计时，常常受到阵列单元数过少、空间快拍严重不足以及相干信号较多等问题的影响，极大地限制了系统对目标的空间分辨能力和估值精度。论文通过对压缩感知理论中信号稀疏表示、感知矩阵设计和信号重构等问题的研究，提出了基于压缩感知和极化插值的联合波达方向（DOA）估计方法。该方法首先利用正交匹配追踪算法估计信源个数和粗略方位信息，以解决少快拍和相干源问题。然后为降低目标未处于离散网格点时产生的估计偏差，建立了基于连续基追踪（CBP）算法的空域极化插值模型，并求解约束优化问题得到任意方位目标的准确估计结果。最后，为进一步提高算法性能，推导了最小均方误差函数模型，对CBP估计偏差较大的结果进行修正。仿真与实测结果表明，该方法显著地提高了目标的超分辨成功概率和DOA估计精度，且对相干信号和少快拍情况具有较好的适用性。
3.由于小孔径阵列的主瓣旁瓣比相对较低，旁瓣上的强干扰会严重地限制雷达在主瓣方向上目标探测性能。鲁棒自适应波束形成（RAB）方法可以较好地解决该问题，但传统RAB方法因为受到相干源、波束指向偏差以及采样协方差矩阵中包含期望信号等问题的影响，而使其输出性能远远低于最优值。为有效地应对上述问题，论文提出了一种基于干扰-噪声协方差矩阵和期望信号阵列导向矢量联合估计的鲁棒自适应波束形成方法。该方法首先建立一个二次约束模型，使重构的干扰-噪声协方差矩阵尽可能地逼近于理想协方差矩阵。然后根据压缩感知和总体最小二乘方法推导出该优化问题的解析解，降低了计算复杂度。最后，以向量空间映射理论为基础，通过引入子空间交替映射算法可以得出准确的期望信号导向矢量估计值。实验结果表明，本文提出算法的输出性能逼近最优值，且可对实测电台干扰进行有效地抑制。
4.占据一定距离-多普勒-角度单元的电台与杂波会极大地降低高频地波雷达系统的检测性能。尤其对于小孔径高频地波雷达，其阵列自由度更少，且被展宽的电台与杂波角度谱使得目标更容易被其淹没，很难被检测。为了克服上述问题，提出了一个种基于空间多波束和最优样本选择的主瓣电台与杂波抑制算法。该方法首先以第2章中得出的阵列、电台和杂波空域特性为基础，提出了一种基于辅助波束的训练样本获取方法。然后通过分析实测数据中电台和杂波的距离或多普勒维相关性，提出了辅助波束和统计样本的选取准则。最后，通过在主波束中剔除电台和杂波信息对其实现有效的抑制。仿真实验与实测结果表明，本方法明显地提高了被淹没目标的检测概率，并具有很强的幅相误差和指向偏差鲁棒性。