高频地波雷达(High-Frequency Ground-Wave Radar,HFGWR)具有超视距能力,探测范围能够覆盖200海里专属经济区,其广泛应用于沿海国家对海面船只以及海洋状态的远程监测中。然而,高频段存在众多的通信、广播等无线电用户,频谱非常拥挤,限制了高频地波雷达的带宽,导致其距离分辨率较低。采用稀疏谱信号是从根本上解决高频地波雷达系统距离分辨率低的途径。不同于常规雷达信号,稀疏谱信号的频谱非连续,占据的频带为当前频谱环境中的寂静频带。由于高频段可供雷达使用的频谱资源非常紧张,其频谱整体上来看呈非均匀稀疏分布。因此,本文围绕稀疏谱高频地波雷达展开研究。首先按照系统体制将其分为两大类:一类在时域实现谱稀疏,即不同时间段的发射信号占据不同的频率段;另一类在空域实现谱稀疏,多个发射通道同时发射载频不同,且频谱互不重叠的信号。第一类仅需要一个发射通道,目前采用一发多收或全数字相控阵的高频地波雷达系统均可配置为此类;第二类则属于一种多载频多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)雷达,也是常规综合脉冲与孔径雷达(Synthetic Impulse and Aperture Radar,SIAR)的载频由均匀、连续向非均匀、稀疏的推广。本文分别针对这两类稀疏谱高频地波雷达进行研究,具体工作概括如下:第一部分,综述了高频地波雷达的常用信号波形及其处理方法。高频雷达采用的信号波形不同于一般的微波雷达,因此第一部分首先对高频地波雷达的常用波形,包括调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW)、调频中断连续波(Frequency Modulated Interrupted Continuous Wave,FMICW)以及互补码脉冲信号的参数选取以及距离-多普勒处理方法进行分析与总结。首先介绍FMCW的去调频+两维快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)距离-多普勒处理方法,这种基于去调频处理的距离处理方法在本文多处用到。随后,总结和比较了FMICW信号去调频序列直接FFT以及时间波门距离变换方法。相比于前两种波形,相位编码脉冲信号在高频地波雷达中用得较少。然而互补码脉冲信号通过使用自相关函数互补的一对码元能够得到理想的脉压输出,这对于高频地波雷达而言非常具有吸引力。本文对互补码信号在高频地波雷达中的应用进行了探讨,并针对其盲区问题,利用内插法产生的互补码序列的子码互补特性,提出基于CLEAN思想的互补码分段脉压算法,该算法能够保证在盲区同样具有理想的零旁瓣,且全距离段无伪峰问题。第二部分,研究稀疏谱调频连续波(Sparse Spectrum FMCW,SS-FMCW)的距离处理。SS-FMCW信号在快时间维载频发生跳变,属于本文所说的时域谱稀疏类信号。SS-FMCW采用常规FMCW类似的去调频处理方法,然而由于频谱稀疏,其去调频序列不再为单频连续波的采样序列,不能简单地通过FFT进行距离变换。这里提出时间重排的操作,将SS-FMCW的距离处理问题转化为一个谱估计问题,且由于频谱稀疏,该谱估计问题的采样序列非均匀分布(间断分布)。为求解该谱估计问题,本文提出使用正则化迭代自适应方法(Iterative Adaptive Approach,IAA)和迭代最小化稀疏学习(Sparse Learning via Iterative Minimization,SLIM)的SS-FMCW信号距离谱估计算法,对两种算法的性能进行了比较,并给出了两者的快速实现方式。通过计算机仿真说明了IAA和SLIM均适用于SS-FMCW的距离处理中。第三部分,研究SS-FMCW的距离-速度处理。SS-FMCW信号给高频地波雷达带来了较高的距离分辨率,同时由于距离分辨率的提高,目标在相干积累周期内的距离走动变得不可忽略;另一方面,由于SS-FMCW信号载频在快时间维发生跳变,造成了目标速度在不同的快时间段映射为不同的多普勒频率。因此,在第二部分的基础上,提出了距离-速度联合处理方案以及距离-速度级联处理方案,两种处理方案均能够解决长时间相干积累的距离走动以及快时间目标多普勒跳变的问题。IAA、SLIM等先进的谱估计算法均可用于这两种方案中。论文对联合处理和级联处理方案在距离维和速度维的性能以及运算量进行了分析和比较,级联处理方案充分利用了SS-FMCW高频地波雷达快时间采样非均匀、慢时间采样均匀的特点,非常适合在工程中应用。关于SS-FMCW信号的距离与距离-速度处理方法均可推广至稀疏谱调频中断连续波(SS-FMICW),文中对此也进行了分析与说明。第四部分,研究稀疏载频MIMO高频地波雷达的距离-方位处理。这一部分的讨论对象区别于第二部分和第三部分,属于在空域实现谱稀疏的多通道雷达系统。该部分分别针对采用去调频距离处理方式和滑窗匹配滤波距离处理方式的稀疏谱MIMO雷达系统推导距离-方位处理模型。并对两种处理方式下的距离-方位模糊函数进行分析与比较。随后,针对距离-方位耦合问题,建立了载频稀疏、随机分布情况下的优化模型,给出使用遗传算法的优化步骤,并提出一种适合工程实现的随机重排载频分布优化方法。最后,针对载频稀疏分布造成的距离-方位谱中距离维的高旁瓣问题,通过对去调频处理方式和滑窗匹配处理方式下回波匹配矩阵的推导,使得第二部分中介绍的IAA和SLIM算法可直接应用于模型中。仿真实验中以IAA算法为例,表明其用于稀疏载频MIMO雷达的距离-方位处理时,能够解决距离维高旁瓣问题,且在距离维和方位维均具有较窄的主瓣。