高频雷达是一种具有超视距探测能力的雷达，工作在3-30MHz的短波段。然而该频段内存在的大量电磁干扰导致连续频带极为有限，限制了雷达发射信号的带宽扩展，进而影响雷达对目标的分辨能力。为了保证雷达在频谱不连续的情况下仍然能够充分利用频率资源，合成带宽信号逐渐体现出特有的优势。
　　步进频率信号作为一种典型的合成带宽信号，在合成孔径雷达以及多种成像雷达中已有多年研究基础，并且在理论和技术上获得了很多经验，但是在高频雷达领域的相关研究仍然较少。高频雷达与其它雷达系统存在差异，不能直接将已有的方法和结论移植到高频雷达上。因此，根据高频雷达的特点，基于现有的步进频率信号提出了改进的稀疏步进频率信号形式，并研究了相应的目标参数估计方法，使高频雷达可以更好地适应复杂环境，更加灵活准确地定位目标，在军事和民用领域均具有重要的应用价值和广阔的发展前景。
　　本论文深入地分析了高频雷达的特殊工作背景和步进频率信号的原理，并在此基础上分别从稀疏谱的步进频率信号设计、目标的距离-速度估计和频控阵的距离-角度解耦方面系统地开展研究工作，针对多个关键问题提出了有效的解决方案。各部分的具体内容总结如下：
　　在稀疏谱的步进频率信号设计方面，提出了能够适应高频雷达特殊频谱环境的稀疏步进频率信号。在总结了实际电磁频谱规律的基础上，对比高频雷达中常用的线性调频连续波、调频中断连续波和相位编码信号的时域波形和模糊函数性能。同时研究了步进频率脉冲信号的基本原理和性质，并推导了多参数的模型化参数估计误差下界，分析频谱不连续对估计性能的影响。依据频谱约束和信号特性设计了一种灵活性更高，抗干扰能力更强，适应性更好的稀疏步进频率信号。对波形参数进一步改进，提出了频率码字和感知矩阵联合优化的参数设计方法。参数设计方法中的感知矩阵作为压缩感知处理过程中的重要过程参量提供了相关函数最小准则，通过不断迭代更新，获得最优化的稀疏频率编码组合，进而构造出具有频谱感知和环境适应能力的优化波形。
　　在目标的距离-速度估计方面，建立了基于压缩感知方法的估计模型，同时针对几个估计过程中的关键问题进行具体研究并提出相应的处理方法。在稀疏步进频率信号的目标距离-速度估计过程中，由于信号参数之间的相互制约关系，直接进行估计通常引起距离失配问题因而产生估计误差，为此提出了一种有效信息的提取方法。此方法避免了采样时丢失目标信息的情况发生，又可以通过对有效点的提取获得与真实目标位置相对应的准确信息，消除距离失配引起的估计误差。目标存在速度同样对距离估计产生影响，使距离谱发生偏移、展宽和走动，对距离估计造成较大的影响。因此对速度产生的影响也进行了具体的讨论，并提出一种多目标的速度补偿方法，有效消除速度产生的估计误差。压缩感知方法通常是建立在网格的基础上，当目标落在非网格上时将无法得到准确的估计，为此本文分别提出了基于矩阵填充的一维和二维稀疏目标估计方法，该方法可以突破网格的限制，进一步提高目标参数估计的准确度。
　　在频控阵的距离-角度解耦方面，研究了步进频率信号与线性阵列相结合构成的频率控制阵列雷达，提出了解耦合的非均匀步进频率优选方法，利用该方法可得到波束的有效聚焦。频控阵是在传统相控阵基础上，将步进频率组中的每个单频信号分发到各个天线阵元上，阵元之间不仅存在相位偏移，还存在等间隔的频率偏移，因此波束指向既存在角度依赖性，又存在距离依赖性，并且由于阵列和频率的关系使距离和角度存在耦合。为解决这个问题，分别在连续谱和稀疏谱条件下提出了新的非均匀频率组合设计方案，尤其是与高频特殊环境相适应的稀疏步进频率优选分配，能够消除耦合对目标角度估计的影响，使产生的发射波束在指定位置上形成有效的聚焦。
　　最后通过计算机仿真验证了本文提出的稀疏步进频率信号，以及波形优化和参数估计方法在高频雷达目标探测中的可行性和适用性。