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基于虚拟孔径投影的共形阵MIMO雷达发射波形设计

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系统工程与电子技术 2019年第7期41卷 1489-1495页

作者：张博戴奉周冯大政西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室

为了克服共形阵天线单元指向互异带来波形旁瓣高的缺点,该文以圆弧阵为例,提出一种基于虚拟孔径投影的共形阵多输入多输出(multiple input multiple output,MIMO)雷达发射波形设计方法。该方法首先对各阵元指向进行精确建模,并通过共形... 详细信息

为了克服共形阵天线单元指向互异带来波形旁瓣高的缺点,该文以圆弧阵为例,提出一种基于虚拟孔径投影的共形阵多输入多输出(multiple input multiple output,MIMO)雷达发射波形设计方法。该方法首先对各阵元指向进行精确建模,并通过共形阵虚拟投影方法,获得规则虚拟投影阵列;其次向量化发射信号矩阵,将发射波形设计问题转为发射信号协方差矩阵降秩问题;最后通过log-det heuristic 算法获得针对该虚拟阵列波形设计的凸优化数学模型,并利用凸优化工具箱对其求解。仿真结果表明,相较于现有方法,该方法能够对共形阵MIMO雷达设计更低旁瓣的发射波形。

关键词：共形阵多输入多输出雷达发射波形设计矩阵降秩

一种新型的低旁瓣MIMO雷达发射波形设计方法

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电子与信息学报 2018年第8期40卷 1809-1815页

作者：张博戴奉周冯大政西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室西安710071

该文通过对经典低旁瓣MIMO雷达发射波形设计方法的改进,提出一种新型的低旁瓣MIMO雷达发射波形设计方法。该方法首先引入发射波形主瓣下界、主瓣上界两个参数,并设定主瓣下界的值;其次分别以最小化峰值旁瓣、最小化积分旁瓣为目标函数,... 详细信息

该文通过对经典低旁瓣MIMO雷达发射波形设计方法的改进,提出一种新型的低旁瓣MIMO雷达发射波形设计方法。该方法首先引入发射波形主瓣下界、主瓣上界两个参数,并设定主瓣下界的值;其次分别以最小化峰值旁瓣、最小化积分旁瓣为目标函数,以发射信号协方差矩阵半正定、各阵元发射信号恒功率为约束条件,在此基础上,在约束条件中加入对主瓣波动的限制,建立半正定规划优化问题,并且可通过设定不同的主瓣上界的值来控制主瓣波动、抑制旁瓣;最后利用一次凸优化算法得到全局最优解。仿真结果表明,该方法在只需求解一次凸优化问题的前提下,所设计波形旁瓣降低且可控。

关键词： MIMO雷达发射波形设计低旁瓣

基于原子范数的MIMO雷达发射波形设计方法

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电子与信息学报 2019年第9期41卷 2143-2150页

作者：庞晓娇赵永波徐保庆曹成虎索之玲西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室西安710071 西安电子科技大学信息感知技术协同创新中心西安710071

针对现有多输入多输出(MIMO)雷达发射波形设计方法存在运算量高的问题,该文提出一种基于原子范数的MIMO雷达发射波形设计方法。根据原子范数的信号模型,该算法首先选择一个具有特殊结构的发射滤波器组以及一组正交信号,将MIMO雷达发射... 详细信息

针对现有多输入多输出(MIMO)雷达发射波形设计方法存在运算量高的问题,该文提出一种基于原子范数的MIMO雷达发射波形设计方法。根据原子范数的信号模型,该算法首先选择一个具有特殊结构的发射滤波器组以及一组正交信号,将MIMO雷达发射波形设计问题转化为原子范数最小化问题,然后采用半正定规划(SDP)对原子范数进行求解,得到(半)正定Toeplitz矩阵,并对其进行范德蒙分解实现发射滤波器组的估计,最后综合发射滤波器组与正交信号获得MIMO雷达的发射波形。理论分析与仿真结果表明,该算法满足等能量发射准则以及小的峰均功率比(PAPR)。同时,该算法相比于现有算法有较低的运算量以及良好的匹配性能。

关键词：多输入多输出雷达发射波形设计原子范数峰均功率比

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认知SAR发射波形设计及智能成像算法研究

认知SAR发射波形设计及智能成像算法研究

作者：朱仕恒上海交通大学

学位级别：硕士

合成孔径雷达（SAR）是一种全天时、全天候对地高分辨率成像的雷达系统,在诸多领域发挥重要作用。传统SAR成像处理是基于理想点目标模型的,不具备对成像场景的自适应能力,智能化处理水平低。近年来提出的认知雷达技术,通过构建闭环反馈... 详细信息

合成孔径雷达（SAR）是一种全天时、全天候对地高分辨率成像的雷达系统,在诸多领域发挥重要作用。传统SAR成像处理是基于理想点目标模型的,不具备对成像场景的自适应能力,智能化处理水平低。近年来提出的认知雷达技术,通过构建闭环反馈系统具备环境学习与知识更新能力,获得性能提升。本论文将认知雷达技术与SAR成像相结合,具体研究基于输出信杂比最大准则的发射波形设计及基于稀疏先验信息利用的智能成像算法。针对认知SAR发射波形设计问题,研究利用目标场景先验知识,在最大输出信杂比准则下,设计目标场景最佳匹配的认知发射波形及对应的匹配滤波器。提出基于迭代线性分式规划的方法,将最优发射波形及最优匹配滤波器的联合设计问题,转化为两个级联的线性分式规划的问题,通过迭代优化实现最优求解。仿真实验表明基于线性分式规划设计的最优发射波形及匹配滤波器,对分布式目标成像时,输出信杂比较传统线性调频信号（LFM）有明显提升。基于先验知识利用的认知SAR智能成像算法方面,研究了多航迹圆迹SAR模型下的三维成像问题。综合利用成像场景在距离、方位和高度三个维度的稀疏分布特性,建立联合稀疏重构模型,提高成像性能。进一步考虑到建筑物等人造目标后向散射特性随角度变化剧烈,采用分子孔径联合稀疏约束成像后进行子孔径非相干叠加的方式,实现高分辨三维成像。基于GOTCHA实测数据的成像处理验证了方法的有效性。

关键词：认知SAR 发射波形设计线性分式规划联合稀疏模型

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雷达发射波形设计及抗干扰性能研究

雷达发射波形设计及抗干扰性能研究

作者：杨奕喆西安电子科技大学

学位级别：硕士

电磁环境的日趋复杂多变以及现代电子战技术的不断发展给雷达带来了严峻的挑战与威胁,特别是有源欺骗式干扰,其发射波形与雷达发射波形具有极强的相干性,导致雷达接收端对其的鉴别和抑制能力下降,严重影响雷达的目标检测能力。由于有源... 详细信息

电磁环境的日趋复杂多变以及现代电子战技术的不断发展给雷达带来了严峻的挑战与威胁,特别是有源欺骗式干扰,其发射波形与雷达发射波形具有极强的相干性,导致雷达接收端对其的鉴别和抑制能力下降,严重影响雷达的目标检测能力。由于有源欺骗式干扰依赖于雷达发射波形,本文主要围绕雷达发射波形设计及其抗干扰性能开展了研究工作。根据电子支援接收机和数字射频存储器的基本原理本文提出了波形设计的基本准则和方法,即通过低截获特性和脉间低相干性的波形设计破坏干扰机的侦察截获,使干扰机复制转发的干扰信号在雷达接收端难以获得足够的相干处理增益,从而达到对抗有源欺骗式干扰的目的。针对脉间低相关性的雷达发射波形设计问题,本文基于频率步进信号以及随机频率步进信号研究了其发射信号模型、模糊函数和接收端信号处理方法,并着重对两个问题进行了研究:1.针对常规方法无法有效降低随机频率步进信号距离旁瓣的问题,本文研究了利用压缩感知技术对随机频率步进信号距离多普勒旁瓣进行抑制的方法,该方法能在一定程度上消除距离多普勒平面上的旁瓣。2.基于随机频率步进信号的假目标干扰模型,本文深入分析了随机频率步进信号的抗干扰性能并进行了仿真。仿真结果表明,当采用随机频率步进信号时,由于干扰信号与真实目标回波在慢时间域具有一定的差异,干扰回波无法获得足够的相干增益形成假目标峰值,从而能够有效地对抗有源欺骗式干扰,但该信号的抗干扰性能会受到发射脉冲数的影响。针对低截获特性的发射波形设计问题,本文研究了多载波信号尤其是多载波相位编码信号的发射信号模型、模糊函数和接收端信号处理方法,并针对其过高的包络峰均功率比,采用迭代限幅的方法进行了有效的抑制。为了获得具有更加优良抗干扰性能的发射信号,本文将多载波相位编码与随机频率步进信号相结合,提出了两种不同的发射波形设计方法,分别将随机频率引入多载波混沌编码脉冲串的脉间与脉内,通过对这两种信号的抗干扰性能进行分析与仿真实验最终得出结论:与随机频率步进信号相比,结合后的两种信号不仅脉内形式更加复杂具有良好的低截获特性,脉间相关性也得到进一步降低。

关键词：发射波形设计有源欺骗式干扰雷达抗干扰随机频率步进信号多载波相位编码信号

基于神经网络的MIMO雷达波形设计技术研究

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基于神经网络的MIMO雷达波形设计技术研究

作者：裴亚亚电子科技大学

学位级别：硕士

MIMO雷达SINR是影响雷达目标探测能力的重要指标,通常可以通过发射端的波形设计控制发射信号功率分布来抑制干扰提高SINR。为了解决频谱资源短缺的问题,具有通信和探测双功能的发射波形设计也是学者们研究的热点。神经网络作为机器学习... 详细信息

MIMO雷达SINR是影响雷达目标探测能力的重要指标,通常可以通过发射端的波形设计控制发射信号功率分布来抑制干扰提高SINR。为了解决频谱资源短缺的问题,具有通信和探测双功能的发射波形设计也是学者们研究的热点。神经网络作为机器学习的一种模型,包括前馈型映射系统和反馈型动力系统,具有很强的非线性映射能力和自适应能力,广泛应用于信号处理、模式识别等领域。本文聚焦于最大化MIMO雷达SINR的发射波形和雷达通信一体化发射波形并结合神经网络进行设计,主要工作如下:1.针对恒模约束下的MIMO雷达SINR最大化的波形设计,提出了一种基于离线深度学习的优化方法。由于恒模约束下SINR高维非凸的特征,而深度学习神经网络对非线性高维函数具有很好的拟合能力,适用于解决这个问题。首先,将恒模约束下的MIMO雷达波形设计问题同等的转化为相位设计问题。然后,我们构造了一个优化训练网络(OTN),无需松弛的求解这个非凸问题。最后,仿真结果表明深度学习优化方法获得的SINR比MIA方法高10d B,比dinkel-SR方法高15d B。2.针对恒模约束下的MIMO雷达SINR最大化的波形设计,注意到大部分深度学习方法计算复杂度很大,难以实时在线波形设计。为了解决这个问题,提出一种基于在线学习(Online Learning,OL)的波形训练网络(BTN,beam training network)结构。与第三章中通过训练神经网络的权重和偏置得到离线网络间接优化相位不同,BTN网络方法利用后向传播直接优化波形相位。该方法把待优化相位作为网络可训练变量,通过深度学习优化器优化关于变量的loss函数。计算机仿真表明本章提出的方法获得的SINR比dinkel-SR方法高13dB,比MIA方法高11d B。3.针对RIS辅助的MIMO雷达通信双功能波形设计,提出了一种基于在线学习的相位训练网络(PTN)结构的设计方法,通过最小化多用户干扰(MUI)能量来优化通信模块功能,最大化MIMO雷达的SINR来优化雷达端功能,将波形的归一化相位序列,和RIS的反射系数归一化相位序列作为可训练网络参数,将目标函数作为损失函数,使用ADAM优化器作为反向传播优化器进行训练以优化目标函数。与现有方法[13]相比,该方法获得了0.69d B的雷达SINR增强和138.8%的通信总速率改善。同时该网络结构具有在线学习网络实时波形设计的优点。

关键词： MIMO雷达发射波形设计神经网络 SINR最大化

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基于相位编码的连续波MIMO雷达波形设计

基于相位编码的连续波MIMO雷达波形设计

作者：姬媛西安电子科技大学

学位级别：硕士

MIMO雷达,有多个发射天线和多个接收天线,因其好的波形分集能力和较高的发射自由度,已成为现在研究的热点。按照体制来分,可以将其分为脉冲波雷达和连续波雷达。调相连续波雷达具有大的时宽、低的截获性、较远的视距、更好的隐蔽性等特... 详细信息

MIMO雷达,有多个发射天线和多个接收天线,因其好的波形分集能力和较高的发射自由度,已成为现在研究的热点。按照体制来分,可以将其分为脉冲波雷达和连续波雷达。调相连续波雷达具有大的时宽、低的截获性、较远的视距、更好的隐蔽性等特点,使得其在现代战争中的作用日益突出。针对相位编码信号连续波雷达的波形设计,本文主要进行了正交波形的设计和部分正交波形的设计,其主要内容如下:第一部分对相位编码信号进行了介绍,首先介绍了常见的二相伪随机码,主要介绍了 m序列、Gold序列和Kasami序列,对其产生的方法进行了介绍并且说明了其主要性质,对这三种伪随机二相码进行了比较。对四相码信号进行了简单的介绍。对于基带相位编码信号来说,其在空间中进行传播是需要在发射端对其进行调制的,并且在接收端需要进行解调。本文还介绍了 BPSK信号的调制与解调方法和QPSK信号的调制与解调方法。第二部分研究了连续波雷达正交相位编码信号的设计。连续波雷达要求发射信号具有较长的码长,因此设计长的序列对于连续波雷达正交波形的设计具有重要意义。首先介绍了正交波形的概念和基本准则,其基本准则是降低信号的自相关峰值旁瓣电平和互相关峰值电平,提出了用遗传算法设计正交波形的思想。接着提出了设计码长较长的正交二相码信号的方法,其主要思想是将现有的伪随机二相码进行扩展并通过遗传算法对其优化。最后提出了设计任意长度的正交四相码信号的方法。第三部分研究了相位编码信号部分正交波形的设计,对二相码和四相码进行设计以实现发射部分正交波形的目的。其主要思想是设计发射信号的协方差矩阵。采用的主要手段是对发射信号自相关矩阵的均方根矩阵进行参数化,使得波束匹配模型的约束条件隐含在其中,将有约束的波束模型转化成无约束的波束模型,进而采用拟牛顿算法对无约束的非线性问题进行求解。最后将得到的高斯信号的协方差矩阵映射到BPSK、QPSK信号的协方差矩阵,最后得到BPSK、QPSK信号的发射方向图。

关键词： MIMO雷达连续波雷达相位编码信号发射波形设计

双基地FDA-MIMO雷达波形设计和参数估计算法研究

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双基地FDA-MIMO雷达波形设计和参数估计算法研究

作者：赵智昊解放军信息工程大学

学位级别：硕士

随着电磁环境的日益复杂和战场电子对抗技术的持续发展,人们对雷达技术的改进工作也在不断进行。为了提高雷达发射端的自由度,获得更高的波形分集增益和频率分集增益,人们将频率分集阵列(FDA)和多输入多输出(MIMO)雷达相结合,提出FDA-M... 详细信息

随着电磁环境的日益复杂和战场电子对抗技术的持续发展,人们对雷达技术的改进工作也在不断进行。为了提高雷达发射端的自由度,获得更高的波形分集增益和频率分集增益,人们将频率分集阵列(FDA)和多输入多输出(MIMO)雷达相结合,提出FDA-MIMO雷达这一概念。本文主要就以双基地FDA-MIMO雷达为对象,研究了该型雷达的功率聚焦波形设计、角度、速度、距离联合无模糊估计以及冲击噪声下的多参数联合估计算法。论文的主要工作如下:1.针对功率聚焦下的波形设计问题,提出了一种基于最小参数估计克拉美罗界(CRB)的波形设计算法。该算法在雷达的发射天线数、正交基信号数和变频阵元数均不相同的前提下,对两个阵列进行子阵划分,实现雷达的距离-角度解耦合和参数估计旋转不变性(RIP)约束的保证。为了实现雷达功率的聚焦,改善雷达估计性能,提出了一种以参数估计最小CRB为目标的发射阵列、变频阵列和方向图合成矩阵联合优化算法,同时通过快速分层方法降低了算法复杂度。仿真结果表明该算法能将能量更好地聚焦在目标方位和距离处,雷达的估计性能得到了提高。2.针对雷达参数估计中的距离和速度估计模糊问题,提出了双基地FDA-MIMO雷达下的多参数联合无模糊估计算法。首先,推导证明了回波相位不仅与频率增量-目标距离有关,还与频率增量-目标速度有关,从而为距离和速度解模糊打下基础。然后利用旋转不变子空间算法(ESPRIT)实现了目标角度、距离和速度参数的联合估计,并分别提出了距离解模糊算法和速度解模糊算法。最后本文推导了算法的CRB并分析了算法的性能。仿真结果验证了算法能够实现目标角度、距离和速度的联合无模糊估计。3.针对冲击噪声下的多参数联合估计问题,并且部分抑制冲击噪声的参数估计算法在低特征指数冲击噪声环境下效果不佳的问题,提出了基于SVD-RPCA和基于QR-RPCA的ESPRIT参数估计算法。该算法先分析得出了冲击噪声具有稀疏性,目标信号矩阵具有低秩性。据此引入鲁棒性主成分分析法(RPCA)并结合子空间分解类算法,提出了 SVD-RPCA算法和相干目标环境下复杂度更高的QR-RPCA算法。两种算法均能有效地将低秩目标信号矩阵从受噪声污染的接收数据中提取出来,并获得与导向矢量张成相同的信号子空间,最后利用ESPRIT算法求得目标角度、距离和速度参数。仿真结果表明该算法有效地降低了原RPCA算法的复杂度,并在低特征指数的冲击噪声下仍能有效地对目标多参数进行估计。

关键词：双基地FDA-MIMO雷达角度-距离解耦合克拉美罗界发射波形设计角度-距离-速度联合估计距离模糊角度模糊冲击噪声 RPCA算法

非理想情况下MIMO雷达波形设计和目标定位研究

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非理想情况下MIMO雷达波形设计和目标定位研究

作者：魏通深圳大学

学位级别：硕士

在过去数十年间,多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,简称MIMO)雷达由于其独特的工作运行方式和由此产生的极高的空间目标分辨力而吸引了大量相关的研究人员和从业人员的关注。与传统相控阵(Phased Array,简称PA)雷达体制不... 详细信息

在过去数十年间,多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,简称MIMO)雷达由于其独特的工作运行方式和由此产生的极高的空间目标分辨力而吸引了大量相关的研究人员和从业人员的关注。与传统相控阵(Phased Array,简称PA)雷达体制不同的是,MIMO雷达系统可以通过其天线发射多个相关或不相关的探测信号以提升其空间分集性。然而,现有的MIMO雷达波形设计及目标定位算法主要针对工作在理想情况下的雷达系统,这将限制其适用范围并且易受应用环境影响。因此,本文主要研究非理想情况下的MIMO雷达发射波形设计及目标定位方法。随着大规模MIMO天线阵列的应用,若发射端依旧使用理想的高分辨率数/模转化器(Digital to Analog Converts,简称DACs)将导致极大的系统功耗以及高昂的硬件成本。因此,本文针对配备有1比特DACs(低分辨率数/模转化器的极限情况)的MIMO雷达系统提出一种全新的波形设计方法。通过最小化发射波束方向图的集成主旁瓣比(Integrated Sidelobe to Mainlobe Ratio,简称ISMR),绝大部分发射能量将被集中在主瓣范围之内并且使泄露至旁瓣的能量最小化。此外,传统MIMO雷达需要发射理想的完全正交信号以保证各个回波之间相互独立,但由于此时的发射功率在整个空域均匀分布,系统输出信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio,简称SINR)被显著降低。因此,本文还将介绍一种基于非正交波形设计的MIMO雷达目标定位算法。具体而言,我们首先通过优化发射信号波形互相关矩阵将发射能量尽可能的集中在主瓣范围。紧接着,利用旋转不变子空间算法(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques,简称ESPRIT)对目标进行精准的定位。针对雷达接收阵列存在互耦合误差的情况,本文提出了一种单目标自校正方法。该方法能够同时估计阵列误差的互耦合系数和目标方位参数。首先,利用互耦系数矩阵为带状托普利兹的特殊结构,我们在无任何先验信息的情况下使用ESPRIT算法对目标进行精确定位。最后,通过求解线性方程组我们可以求得互耦系数矩阵。

关键词： MIMO雷达发射波形设计目标定位阵列误差