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基于相位编码的MIMO雷达波形优化设计研究

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基于相位编码的MIMO雷达波形优化设计研究

作者：董炳良兰州理工大学

学位级别：硕士

随着现代通信电磁环境的复杂变化,提升雷达对微弱目标信息的探测能力逐步成为时下雷达通信领域的研究热点。而发射波形的优化设计以及回波的优化处理是确保雷达系统探测性能的关键。针对相位编码的波形优化技术能够保证波形低旁瓣表现... 详细信息

随着现代通信电磁环境的复杂变化,提升雷达对微弱目标信息的探测能力逐步成为时下雷达通信领域的研究热点。而发射波形的优化设计以及回波的优化处理是确保雷达系统探测性能的关键。针对相位编码的波形优化技术能够保证波形低旁瓣表现。与此同时,将相位编码与多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)雷达的充分融合,MIMO雷达的分集增益能力保障发射信号波形可以更加高效、精准的探测到微弱目标信息。本文讨论了基于相位编码的MIMO雷达波形优化设计的有关问题,重点是相位编码信号的低旁瓣波形的优化设计、失配滤波器权重的优化设计、MIMO雷达正交波形的优化设计以及MIMO雷达的完全互补序列构造问题。具体工作如下:1.针对相位编码信号波形旁瓣抑制的问题,采用了低旁瓣波形优化和失配滤波器权值优化两种方法进行研究。以传统优化算法为基础提出了改进蝴蝶优化算法进行旁瓣抑制。在低旁瓣波形优化设计方面,本文以峰值旁瓣电平比和旁瓣能量为准则建立了低旁瓣波形优化函数,引入逻辑映射生成初始编码矩阵,提出非线性变化收敛系数和非线性惯性权重改进蝴蝶算法进行波形优化设计。基于失配滤波器的设计,失配滤波器的设计标准是降低峰值旁瓣和积分旁瓣电平,而优化约束为失配滤波损失,通过改进蝴蝶算法进行失配滤波器的优化设计。通过实验仿真验证了波形的旁瓣特性和失配滤波器的性能优势。说明了改进蝴蝶算法在波形优化设计方向具有更优的性能表现。***雷达波形设计的正交性是决定雷达发射系统过程中的关键问题,针对MIMO雷达发射波形正交性能不佳的问题,本文通过改进遗传乌燕鸥算法对MIMO雷达发射波形进行优化设计。通过融合遗传算法和乌燕鸥算法提升更新序列的优越性。引入平均适应度函数判决优化过程。以峰值旁瓣电平、积分旁瓣能量和互相关峰值为准则,设计正交波形优化目标函数。通过相同条件下的对比实验,证实改进后的遗传乌燕鸥算法在MIMO雷达正交波形优化设计的有效性和普适性。针对MIMO雷达正交相位编码信号之间的干扰问题,采用该算法可以有效改善。通过理论分析和仿真得出,该方法能够使发射信号满足相互正交和低峰值旁瓣的要求并且有效降低不同序列之间的相互干扰问题。3.针对完全互补序列在MIMO雷达系统的应用问题,通过交叉变换、矩阵循环和反向变换三种方法构造完全互补序列,使完全互补序列突破序列长度的限制,并保证了完全互补序列在MIMO雷达系统中的正交性能。并且对三种方法进行仿真比较。通过理论分析和仿真得出,反向变换方法构造的完全互补序列结构清晰、计算简洁,由此产生的完全互补序列具有出色的正交性能,包括自相关参数和完全为零的互相关特性,可以进一步应用于MIMO雷达领域。

关键词：相位编码多输入多输出雷达旁瓣抑制正交波形波形优化

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MIMO雷达波形设计与优化研究

MIMO雷达波形设计与优化研究

作者：王娇河北工业大学

学位级别：硕士

MIMO雷达是雷达技术中的一项重大创新,与相控阵雷达相比具有更加优良的性能。这些优良性能的取得是由于MIMO雷达系统中采用了多个发射、接收天线,且各天线能够自由选择不同的雷达信号并发射正交波形。也正是由于这样的特性,使得各个天... 详细信息

MIMO雷达是雷达技术中的一项重大创新,与相控阵雷达相比具有更加优良的性能。这些优良性能的取得是由于MIMO雷达系统中采用了多个发射、接收天线,且各天线能够自由选择不同的雷达信号并发射正交波形。也正是由于这样的特性,使得各个天线发射的波形成为MIMO雷达性能的重要影响因素,因此设计出良好的发射波形对MIMO雷达系统具有重要意义。本文分析了正交波形的基本原理,展开了对相位编码MIMO雷达正交波形设计与优化问题的研究,详细内容如下:1、针对MIMO雷达多个发射天线之间存在波形相互干扰的问题,构造了一类零相关区周期互补序列集。所构造的ZCZ周期互补序列集中含有多个子集,因每个子集都可以构成一个零相关区序列集,从而能够使同一天线在不同时间发射的信号互不影响;同时,又因不同子集在同一位置处的子序列构成的序列集同样为零相关区序列集,从而使不同天线发射的信号在零相关区内互不影响。此外,该序列集中子集数、子集中子序列个数都可以灵活设置,使其在MIMO雷达系统中更加适用。通过实验验证了所构造的序列集能够很好的应用于MIMO雷达,对模糊图的分析表明本文构造的序列集在零相关区内具有良好的距离模糊函数。2、针对MIMO雷达发射正交波形的问题,提出一种改进的飞蛾扑火优化算法,应用此改进算法对相位编码信号集的相关性能进行优化,设计出近似正交的MIMO雷达发射信号集。在算法的改进方法中,增加火焰的搜索过程,使火焰不仅能够保存最优飞蛾位置还具有搜索最优解的功能。仿真实验结果表明,改进方法明显提高了飞蛾扑火优化算法的收敛速度和收敛精度,且优化得到MIMO雷达发射信号集具有较低的自相关旁瓣值和互相关值。3、将飞蛾扑火和差分进化算法进行结合,提出了一种应用于MIMO雷达正交波形优化问题的混合算法,利用此混合算法对MIMO雷达发射信号集的相关性能进行提高。该混合算法不仅具有MFO搜索范围较大、DE收敛速度快的优点,还能弥补MFO收敛速度慢、DE容易丧失解多样性的不足。通过实验表明混合算法在收敛速度和收敛精度上都得到明显提高,优化所得的MIMO雷达相位编码信号集整体具有较好的相关性能。

关键词： MIMO雷达正交波形相位编码信号零相关区优化算法

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雷达复杂波形设计技术

雷达复杂波形设计技术

作者：侯秦楠西安电子科技大学

学位级别：硕士

雷达波形对雷达性能有着关键影响,例如距离分辨力、多普勒敏感性、低截获性能、杂波抑制等,随着数字阵列技术的发展,多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)雷达系统也逐渐成熟。本文分成两个部分,主要研究传统体制和新体制... 详细信息

雷达波形对雷达性能有着关键影响,例如距离分辨力、多普勒敏感性、低截获性能、杂波抑制等,随着数字阵列技术的发展,多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)雷达系统也逐渐成熟。本文分成两个部分,主要研究传统体制和新体制MIMO雷达波形设计。对于传统雷达,本文分析了三种常见的脉冲压缩波形,分别为线性调频信号(Linear Frequency Modulation,LFM)、非线性调频信号(Nonlinear Frequency Modulation,NLFM)和相位编码,并通过仿真实验总结其时频域特性、脉冲压缩和模糊函数性能,对比其优缺点和适用环境;在广义波形定义下,雷达脉冲的发射周期也是波形设计的内容,本文针对多组参差脉冲的工作方式,提出了通过遗传算法优化参差周期进而优化MTI滤波器频率响应的方法,使滤波器的盲速点大于最高可检测速度且第一零点深度尽可能浅。本文在研究MIMO雷达信号处理的基础上,总结了MIMO波形性能指标,展开了对MIMO雷达波形的研究。MIMO雷达根据波形之间的相关性分为正交波形和部分相关波形。本文一方面研究了MIMO雷达正交波形设计,介绍了基于相位编码和LFM信号的正交波形设计;通过分析NLFM信号的正交条件,本文提出了通过优化相位和调频因子的NLFM信号正交波形设计方法,其能量覆盖近似全向且脉冲综合性能良好,最后通过仿真分析对比了上述三种波形的能量覆盖图和多普勒容忍性。另一方面研究了部分相关波形设计,介绍了基于相位编码、基于LFM的传统方法和子阵正交方法的部分相关波形设计;本文结合子阵的思想和NLFM信号的正交条件,提出了子阵正交的NLFM部分相关波形设计方法。最后本文提出了一种基于机械扫描的部分相关MIMO雷达工作方式,仿真验证了其相比于常规雷达工作方式的优势。

关键词：雷达波形 MIMO 正交波形部分相关波形

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MIMO雷达波形优化设计技术

MIMO雷达波形优化设计技术

作者：池政刚西安电子科技大学

学位级别：硕士

传统雷达以相对固定的模式、采用相对固定的波束和波形发射电磁波,在复杂多变的工作环境下难以取得满意的性能,也无法满足多任务、多功能的需求。MIMO雷达是雷达体制的一种扩展,具有多个发射和接收天线,各发射天线可以发射不同信号,这使... 详细信息

传统雷达以相对固定的模式、采用相对固定的波束和波形发射电磁波,在复杂多变的工作环境下难以取得满意的性能,也无法满足多任务、多功能的需求。MIMO雷达是雷达体制的一种扩展,具有多个发射和接收天线,各发射天线可以发射不同信号,这使得MIMO雷达具有波形分集的优势。MIMO雷达通过发射不同的信号,使得能量集中在感兴趣的角度范围或者在空间均匀分配,多个发射信号在不同的角度合成不同的波形,从而具有较强的抗截获能力。MIMO雷达的波形分集优势,使得雷达系统具有更高的发射自由度,可以针对不同的工作场景和需求,灵活的设计发射能量覆盖图,也可以根据环境信息及时调整发射波形。因此,MIMO雷达波形优化设计技术是一个重要的研究领域。本文具体内容如下:首先建立了均匀线阵下的MIMO雷达模型,并给出信号模型。在此基础上介绍了两种常用的MIMO雷达信号处理方法,接着引入了雷达发射能量覆盖图、脉冲综合结果、多普勒敏感性曲线的相关概念,它们是评价MIMO雷达波形设计技术的重要指标。其次对正交波形的设计方法进行了研究,分为正交相位编码信号波形和正交LFM信号波形,对它们的自相关、互相关函数及脉冲综合结果和多普勒敏感性曲线进行了分析和对比。最后对部分相关波形进行了探讨,对于部分相关相位编码信号波形的设计可以分为两步,首先分别用半正定规划和基波束的方法优化得到发射波形的协方差矩阵,并对这两种方法的复杂程度和结果进行比较与分析,接着利用循环算法和序列二次规划得到发射波形,对比其性能指标。在部分相关LFM信号方面,通过分析LFM信号的发射能量覆盖图,找到LFM信号参数中影响发射能量覆盖图的因素,然后介绍了现有的部分相关LFM信号波形设计方法,该方法设计得到波形的脉冲综合结果的主瓣相对于信号带宽决定的脉冲宽度有较大展宽,在目标检测时会严重影响目标的距离分辨性能。针对这一问题,本文提出了一种基于子阵正交的LFM信号部分相关波形设计方法。该方法通过对信号带宽和初相的联合优化,提高了信号的自由度,设计得到波形的脉冲综合结果的主瓣基本没有展宽,且旁瓣峰值较低,有效地提高了雷达对于目标的检测能力。

关键词： MIMO雷达波形设计正交波形部分相关波形

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双基地MIMO雷达发射阵目标角度估计

电波科学学报 2010年第3期25卷 499-504页

作者：刘红明何子述李军电子科技大学电子工程学院四川成都610054

提出一种双基地MIMO雷达概念,并讨论了目标角度测量问题。分析表明:使用正交波形的双基地MIMO雷达,能利用接收阵列获取的回波信息,实现目标相对于发射阵的角度估计。这一特性是常规双基地雷达不具备的,它为改善双/多基地雷达目标位置测... 详细信息

提出一种双基地MIMO雷达概念,并讨论了目标角度测量问题。分析表明:使用正交波形的双基地MIMO雷达,能利用接收阵列获取的回波信息,实现目标相对于发射阵的角度估计。这一特性是常规双基地雷达不具备的,它为改善双/多基地雷达目标位置测量精度增加了新的信息。文中给出了两种具体的角度估计实现方法,并用仿真实验验证了方法的有效性。

关键词： MIMO雷达正交波形发射阵视线角 MUSIC MSwF

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基于波形优化的SAR抗欺骗干扰技术研究

基于波形优化的SAR抗欺骗干扰技术研究

作者：钟太能电子科技大学

学位级别：硕士

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Rader,SAR)是一种主动式微波遥感系统,与光学成像相比,因其不受光照气候条件影响,能够实现全天时、全天候工作,所以在民用与军用领域受到广泛重视。SAR易受到干扰系统的影响,欺骗干扰能够以较小功率产... 详细信息

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Rader,SAR)是一种主动式微波遥感系统,与光学成像相比,因其不受光照气候条件影响,能够实现全天时、全天候工作,所以在民用与军用领域受到广泛重视。SAR易受到干扰系统的影响,欺骗干扰能够以较小功率产生欺骗目标,是干扰技术的研究重点,尤其是基于数字射频存储器的现代干扰机能快速对所截获的雷达探测信号进行调制转发,在SAR图像上形成虚假目标,干扰真实目标的识别与判断。基于波形优化的SAR抗欺骗干扰技术,是指通过优化设计雷达波形,结合一定的收发策略,再通过信号处理,让真实目标正确成像,同时让假目标散焦,达到抗欺骗干扰的目的。当前抗欺骗干扰技术的研究中,波形设计是重点研究对象之一,本文从波形优化的角度出发,研究了LFM-相位编码混合波形、连续相位抖动波形、方位随机初相以及距离向、方位向二维联合抗干扰技术,主要内容如下:1、提出了LFM-相位编码混合波形的优化方法,通过对相位编码信号的自相关函数与互相关函数进行整合,合理设计目标函数,建立了LFM-相位编码混合波形的优化模型,提高了LFM-相位编码混合波形的正交性,在保证成像质量的前提下,抗干扰的信干比容忍度得到提升。2、提出了连续相位抖动波形的优化方法,以信号峰值旁瓣比、积分旁瓣比、峰值互相关比为优化因子,合理设计目标函数,建立了连续相位抖动波形的优化模型,提高了连续相位抖动波形的成像性能与正交性,抗干扰的信干比容忍度得到提升。3、研究了方位向随机初相优化设置方法,通过提取方位压缩过程,以增大信号失配程度为目标,建立了方位随机初相优化设置模型,削弱了假目标在方位向形成的阴影条带,提高了方位向抗干扰能力。4、研究了距离向与方位向二维联合抗干扰技术,分析了二维抗干扰技术的原理,通过仿真实验,分析对比了一维与二维抗干扰技术的抗干扰能力,验证了二维抗干扰能力的提升。本文通过理论分析,实验仿真,对上述方法进行了验证。结果表明,上述方法能够有效滤除欺骗干扰目标,且信干比容忍度增大,抗干扰能力得到提升。

关键词：合成孔径雷达抗欺骗干扰波形优化正交波形

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雷达空时多维捷变波形设计与优化

雷达空时多维捷变波形设计与优化

作者：李文琪西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着雷达所处环境复杂度的提高,强杂波、干扰等因素将会对雷达系统的性能产生严重影响,波形作为一种重要资源,其设计方式、调制样式和性能优良程度直接决定了雷达系统探测目标和对抗干扰的能力。具有良好自相关和互相关性能的波形可以... 详细信息

随着雷达所处环境复杂度的提高,强杂波、干扰等因素将会对雷达系统的性能产生严重影响,波形作为一种重要资源,其设计方式、调制样式和性能优良程度直接决定了雷达系统探测目标和对抗干扰的能力。具有良好自相关和互相关性能的波形可以提高雷达弱目标检测的能力。发射波形初相、频率等参数的捷变可以显著提高雷达抗干扰的能力。多输入多输出(MIMO)雷达波形的正交性越好,系统的距离分辨率就越高,匹配滤波后信号的恢复效果就越好。因此如何合理地选择和设计波形成为了现代雷达领域研究的重点工作。本文针对雷达发射波形所面临的距离旁瓣较高、电子干扰和波形间正交性差等问题,研究分析了不同体制下雷达发射波形的设计与优化,主要工作概况如下:(1)针对单通道体制中波形自相关距离旁瓣水平较高会影响雷达目标检测性能的问题,分析不同发射信号的性能,并利用不同的优化算法对不同种类的波形进行优化设计。首先研究了一种设计非线性频率调制(NLFM)信号的方法,该方法将线性函数与反比例函数结合构造NLFM信号的时频函数,通过调整时频函数中线性区间和非线性区间的参数,设计出了一种NLFM信号,该信号无需加权就能获得较低的峰值旁瓣比。其次基于粒子群优化(PSO)算法,分别将脉压输出的峰值旁瓣比和模糊函数的主副瓣比作为目标函数对NLFM信号进行了优化。最后基于新循环算法(CAN)优化设计了相位编码信号,仿真结果验证了设计的波形以及两种优化算法抑制旁瓣的有效性。(2)针对发射单一脉冲信号易被敌方截获的问题,提出了脉间捷变波形设计方法。首先设计了调频步进信号,通过改变不同脉冲重复周期内发射信号的频率,利用敌方干扰信号与目标回波信号的时间差区分真假目标。其次设计了波形捷变信号,使雷达在每个脉冲重复周期内发射的信号随机,由于发射信号的形式只有己方掌握,有效提高了雷达抑制干扰的能力。此外,采用了匹配周期分组技术在接收端对波形捷变信号进行处理,仿真实验验证了所设计波形和所用技术抑制干扰的有效性。(3)针对多通道体制下信号正交性能较差的问题,分别提出了基于频分正交和码分正交的MIMO雷达波形设计方法。首先设计了频分正交调制线性调频(OFDM-LFM)信号,对信号的正交性进行了分析。其次研究了码分正交相位编码信号,分别基于PSO算法和多通道新循环算法(Multi-CAN)优化设计了正交连续相位编码信号。此外,为满足实际应用中离散相位的要求,对连续相位进行量化操作以实现相位的离散化。最后对比分析了两种优化算法对信号性能的影响,仿真实验验证了两种优化算法降低旁瓣水平和提高波形正交性的有效性。

关键词：波形设计 NLFM信号 PSO算法脉间捷变波形抗转发式干扰正交波形 Multi-CAN算法

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MIMO-SAR回波分离方法分析

数据采集与处理 2014年第4期29卷 533-541页

作者：禹卫东李红霞中国科学院电子学研究所北京100190

MIMO-SAR(Multiple input multiple output synthetic aperture radar)是近年来提出的一种新的SAR体制。通过多个发射天线和接收天线的组合,可以形成更多等效相位中心,提高系统自由度,进一步扩展SAR的模式,提高其性能。但是,SAR回波对... 详细信息

MIMO-SAR(Multiple input multiple output synthetic aperture radar)是近年来提出的一种新的SAR体制。通过多个发射天线和接收天线的组合,可以形成更多等效相位中心,提高系统自由度,进一步扩展SAR的模式,提高其性能。但是,SAR回波对应分布场景,匹配滤波后互相关噪声叠加,相互干扰造成图像下降,通常MIMO雷达中正交波形分集方法在MIMO-SAR体制中是无效的。因此,回波分离成为MIMO-SAR实现的关键问题。本文介绍了MIMO-SAR的工作原理及其应用,对目前已有的回波分离方法进行分析,指出其原理和约束条件,最后针对回波分离问题,探讨了一些新的解决方法。

关键词：多发多收合成孔径雷达回波分离分布场景正交波形

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基于空间角度-距离-速度的三维模糊函数

数据采集与处理 2016年第4期31卷 688-692页

作者：陶海红刘宝蕊西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室西安710071

传统模糊函数是针对距离-速度两维目标分辨力提出的,从而给相邻目标距离-速度联合分辨提供一个评判标准,用以表征雷达发射波形的分辨能力。本文由模糊函数的定义出发,将二维模糊函数进行空间角度上的扩展,可用于阵列雷达系统在距离-速度... 详细信息

传统模糊函数是针对距离-速度两维目标分辨力提出的,从而给相邻目标距离-速度联合分辨提供一个评判标准,用以表征雷达发射波形的分辨能力。本文由模糊函数的定义出发,将二维模糊函数进行空间角度上的扩展,可用于阵列雷达系统在距离-速度-方位角三维上评估雷达发射波形的分辨力,即模糊函数能够定量表示"干扰目标"和观测目标可分辨能力,并且能够作为雷达波形选择优化、设计的依据。仿真实验和性能分析证明了本文所推导三维模糊函数的正确性和合理性。

关键词：三维模糊函数线阵方位角分辨率正交波形