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基于可分布区域约束下的雷达布阵优化方案研究

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基于可分布区域约束下的雷达布阵优化方案研究

作者：张童西安电子科技大学

学位级别：硕士

由于现代战争中日益复杂的战场环境和目标特性,传统的单基地雷达无法满足当前的作战需求,组网雷达系统以其更高的目标检测概率,更强的区域覆盖能力等优势成为了未来雷达的发展方向。雷达布阵优化作为提高组网雷达系统性能的一种重要手... 详细信息

由于现代战争中日益复杂的战场环境和目标特性,传统的单基地雷达无法满足当前的作战需求,组网雷达系统以其更高的目标检测概率,更强的区域覆盖能力等优势成为了未来雷达的发展方向。雷达布阵优化作为提高组网雷达系统性能的一种重要手段成为了当下的热点研究问题。目前,雷达组网系统的布阵研究工作已经取得了大量的研究成果,但是仍存在如下问题值得继续探索:(1)传统的雷达布阵方案依据个人经验进行布阵,存在效率低、覆盖范围小、跟踪精度不够等问题,无法满足日益复杂的作战要求。常用的随机布阵和均衡布阵等策略虽然易于实现,但是与应用需求难以契合,甚至会导致重叠覆盖现象的产生,造成资源浪费。(2)已有的布阵优化工作主要集中在对于不同求解算法的优化改进上,对于限制区域和适用场景的研究存在不足,难以实现不同任务的灵活布阵。(3)传统的雷达布阵优化工作大多考虑某一单独的工作任务情景,如单独的跟踪任务或搜索任务,对于多任务联合布阵优化工作研究尚且存在欠缺。在实际应用中,雷达系统可能同时执行多项探测任务,需要同时满足多个任务性能指标,而面向单一任务的雷达布阵优化工作仅能提高某一个任务的性能。因此,针对上述问题,本文对基于可分布区域约束下的雷达布阵优化方案进行了以下研究:1.面向搜索任务的雷达布阵优化方案研究。针对雷达组网系统执行搜索任务的工作场景,在可分布区域的限制下,以探测面积作为目标函数,构建了数学优化模型,给出了面向搜索任务的雷达布阵优化问题,并使用模拟退火算法(Simulated Annealing,SA)进行求解,得到了相应的优化布阵方案,并通过仿真实验对比验证了所提布阵优化方案的有效性。2.面向跟踪任务的雷达布阵优化方案研究。针对雷达组网系统执行跟踪任务这一场景,以跟踪精度作为目标函数,以雷达可分布区域作为约束条件,给出了面向跟踪任务的雷达布阵优化问题,并使用遗传算法(Genetic Algorithm,GA)得到了相应的布阵方案,通过结果对比验证了所提布阵优化方案的有效性。3.面向多个任务的联合布阵优化方案研究。考虑雷达组网系统执行多个任务这一工作情景,对面向搜索和跟踪任务的联合布阵优化方案进行了研究。以最大化雷达探测范围和最小化雷达跟踪误差为目标函数,给出了面向搜索跟踪任务的双目标联合布阵优化模型,并结合帕累托理论使用改进后的带精英选择策略的非支配排序遗传算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithms,NSGA-Ⅱ)对其进行求解。仿真实验验证了联合布阵优化方案相比面向单任务的布阵方案能够更好地实现对跟踪任务和搜索任务的兼顾。另外,在联合布阵工作中还引入了目标威胁权值,研究了其对跟踪任务的影响。在实际作战环境中,雷达对多个目标进行跟踪时会根据目标威胁程度的不同有所侧重。因此,引入目标威胁权值能够更贴合实际作战情景,得到的优化方案也具有更高的可参考性。综上所述,本文在可分布区域约束的条件下,针对雷达执行跟踪任务情景,研究了面向跟踪任务的雷达布阵优化方案,提升了雷达的跟踪精度;针对雷达执行搜索任务情景,分别研究了雷达全向工作模式和定向工作模式下的布阵优化工作,显著提升了雷达系统的探测范围;针对雷达执行多任务工作情景,研究了面向搜索和跟踪任务的联合布阵优化问题,实现了不同任务之间的权衡,能够同时提升多个任务的工作性能。文章分别对面向单任务和多任务的雷达布阵优化方案进行MATLAB仿真实验,实验结果表明,雷达布阵优化能够有效地提升雷达组网系统的工作性能,并且可以实现根据具体的需求对某一个或多个任务的性能进行提升。

关键词：组网雷达系统布阵优化可分布区域约束帕累托理论搜索任务跟踪任务

MIMO雷达布阵优化和正交波形设计技术研究

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MIMO雷达布阵优化和正交波形设计技术研究

作者：张昭阳西安电子科技大学

学位级别：硕士

多输入多输出(MIMO)雷达具有多个发射天线阵元和多个接收天线阵元,每个阵元发射不同的信号且发射信号相互正交。由于信号具有正交性,在空间不会形成高增益的窄波束,而是形成低增益的宽波束。接收阵元对每个发射阵元发射的信号进行匹配滤... 详细信息

多输入多输出(MIMO)雷达具有多个发射天线阵元和多个接收天线阵元,每个阵元发射不同的信号且发射信号相互正交。由于信号具有正交性,在空间不会形成高增益的窄波束,而是形成低增益的宽波束。接收阵元对每个发射阵元发射的信号进行匹配滤波,经过相位补偿后合成,完成发射波束形成,接收阵元之间再进行接收数字波束形成,从而同时获得了发射和接收天线增益,因而在波束意义上相当于可获得双程方向图。而且MIMO雷达发射相互正交的信号,所以布阵优化和正交波形设计是MIMO雷达实现的关键问题。针对MIMO雷达布阵优化和正交波形设计技术优化问题,本文提出一种混合优化算法。该混合算法结合了遗传算法(Genetic Algorithm,GA)和迭代算法,不仅能够充分发挥GA很强的全局搜索能力,又能利用迭代算法较强的局部优化能力。该混合算法应用于MIMO雷达布阵优化,通过优化阵元位置和激励分布得到了理想的方向图,并且由于利用了MIMO雷达等效方向图,减少了计算量。该混合算法应用于MIMO雷达正交波形设计,得到了具有较低的自相关旁瓣峰值(ASP)和互相关峰值(CP)的正交信号,提高了信号的性能。

关键词： MIMO雷达布阵优化正交波形设计遗传算法(GA) 混合算法

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MIMO雷达波束形成与布阵优化方法研究

MIMO雷达波束形成与布阵优化方法研究

作者：杨竣评西安电子科技大学

学位级别：硕士

MIMO雷达的各个通道信号互相独立,通过其波形分集能力可以设计出满足各种需求的发射波形。在场景感知时,发射正交波形可以快速地进行全方位搜索,从而及时地进行预警或者侦察活动;在目标跟踪阶段时,可以通过同时多波束发射方向图实现对... 详细信息

MIMO雷达的各个通道信号互相独立,通过其波形分集能力可以设计出满足各种需求的发射波形。在场景感知时,发射正交波形可以快速地进行全方位搜索,从而及时地进行预警或者侦察活动;在目标跟踪阶段时,可以通过同时多波束发射方向图实现对多个目标的观测,进而提高其观测时长和能量分配效率。近些年来,随着MIMO雷达阵列孔径的不断扩增,成千上万的阵元规模对波形设计、波束形成以及系统设计都带来了极大的挑战,并且伴随着雷达系统的成本不断增加的问题。基于此,有必要从子阵和布阵优化的角度出发,在保障MIMO雷达性能需求的前提下,尽可能地降低其阵元规模与系统复杂度。为更严谨地探讨该问题,本文将从MIMO雷达的波形设计、基于子阵的波束形成,以及布阵优化方法三个方面进行研究,主要的工作内容如下:1.针对MIMO雷达不同的性能需求,分别研究了正交波形与部分相关波形的优化方法。首先,介绍了正交波形的基本概念和设计方法,讨论了正交信号的处理流程,并优化了基于序列二次规划算法的正交波形设计方法。其次,研究了部分相关信号的设计方法及其处理流程,引入了收发联合匹配增益的概念,并通过凸优化模型高效地解决了多旁瓣干扰源、密集旁瓣干扰源以及部分区域覆盖搜索场景下的发射方向图设计问题。2.针对大规模MIMO雷达阵列发射波束优化问题,研究了同时多波束发射方向图设计方法和基于子阵的多级收、发波束形成方法。一方面,针对同时多波束发射方向图匹配设计问题,研究了基于半正定规划算法和基于基波束算法的方向图设计方法,其中,半正定规划算法的时间性能较差,基波束算法得到的波形空时域特性较差。基于此,本文采用了基于交叉子阵的多波束发射方向图设计方法,能够兼顾时间性能和空时域特性。另一方面,随着MIMO雷达阵列规模的不断增大,阵元维度膨胀导致波形设计和波束形成方法的复杂度和计算量大幅提升,常规方法难以满足其时间性能需求。针对此种情况,分别研究了收、发多级波束形成的方法,该方法有效地降低信号处理的维度和系统设计的复杂度。最后,研究了基于子阵的同时接收多波束方法,并分析了具体的应用场景。3.针对MIMO雷达阵元分布优化问题,研究了MIMO雷达低成本设计问题和低旁瓣发射方向图设计问题。一方面,考虑到大规模或超大规模MIMO雷达的低成本问题,本文研究了一种基于均匀阵列的空间稀布方法,分别从阵元或子阵的角度出发,在保证主副比和主瓣波束宽度的前提下,分析各个阵元或子阵对于发射方向图的整体性能影响,从而对其取舍情况进行二元假设,该方法能比均匀阵列节省30%～50%的阵元数目。另一方面,针对固定孔径约束条件下的低旁瓣发射方向图设计问题,本文研究了一种基于阵元位置分布和发射信号协方差矩阵交替迭代的优化方法。相比均匀阵列,该方法设计的发射方向图具有更加平坦的旁瓣电平,并对旁瓣干扰和环境杂波也有着较好地抑制效果。

关键词： MIMO雷达波形设计波束形成子阵布阵优化

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基于遗传算法的稀疏子阵布阵优化软件

兵工自动化 2022年第3期41卷 74-79页

作者：刘欣欣杨剑卢建姚志成火箭军工程大学工程学院西安710025

为降低相控阵雷达天线的系统复杂性及硬件成本,采用稀疏阵列和子阵技术对天线阵面进行稀疏优化布阵。对稀疏子阵的布局优化进行分析,基于遗传算法研究优化后的稀疏子阵布局;对稀疏子阵波束形成算法进行设计,通过采用二级加权法,先对子... 详细信息

为降低相控阵雷达天线的系统复杂性及硬件成本,采用稀疏阵列和子阵技术对天线阵面进行稀疏优化布阵。对稀疏子阵的布局优化进行分析,基于遗传算法研究优化后的稀疏子阵布局;对稀疏子阵波束形成算法进行设计,通过采用二级加权法,先对子阵内部阵元采用固定加权法获取阵元级权矢量,再对子阵级数据采用自适应波束形成算法求取子阵级最佳权矢量,从而实现稀疏子阵的波束形成;设计子阵优化布局与波束形成应用软件。结果表明:该软件具有良好的人机交互界面,可对天线稀疏优化设计起到较好的辅助和验证作用,有效提高天线阵列优化设计自动化程度。

关键词：稀疏子阵布阵优化波束形成软件设计

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基于遗传算法的智能水雷布阵策略优化研究

中国电子科学研究院学报 2020年第8期15卷 789-795页

作者：石子烨中国电子科学研究院北京100041

智能水雷具备水雷自组网,信息融合及远程攻击能力。通过综合考虑雷障中水雷的探测距离、探测概率、运动半径和爆炸半径等主要因素对目标舰船毁伤概率的影响,建立封锁效能的数学模型,对比了智能水雷相较于传统水雷的封锁效能效果,并基于... 详细信息

智能水雷具备水雷自组网,信息融合及远程攻击能力。通过综合考虑雷障中水雷的探测距离、探测概率、运动半径和爆炸半径等主要因素对目标舰船毁伤概率的影响,建立封锁效能的数学模型,对比了智能水雷相较于传统水雷的封锁效能效果,并基于智能水雷封锁作战模型提出了基于遗传算法的水雷布阵方法,通过遗传算法优化水雷数量和坐标配置,总结了基于不同水雷数量及不同舰船数量下舰船毁伤概率的变化规律,并进行了仿真验证。计算结果为智能水雷的水下作战想定设计、优化水雷布局方案等方面提供量化参考。

关键词：智能水雷布阵优化遗传算法

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水下爆炸作用下舰船毁伤效能评估及水雷布阵策略优化研究

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水下爆炸作用下舰船毁伤效能评估及水雷布阵策略优化研究

作者：蔡尚哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

舰船是维护祖国蓝色领土的基本保障,鱼雷、水雷等水下武器是舰船生命力的主要威胁之一。水下爆炸产生的冲击波与气泡载荷会对水面舰船造成严重的局部及总体毁伤,近年来,舰船在水下爆炸作用下的毁伤模式一直是舰船生命力研究的前沿和热... 详细信息

舰船是维护祖国蓝色领土的基本保障,鱼雷、水雷等水下武器是舰船生命力的主要威胁之一。水下爆炸产生的冲击波与气泡载荷会对水面舰船造成严重的局部及总体毁伤,近年来,舰船在水下爆炸作用下的毁伤模式一直是舰船生命力研究的前沿和热点。战时,在敌方港口布设水雷,可以达到对敌方舰船出入港进行封锁的目的,然而,由于复杂多样的港口布局以及舰船目标形式的不确定性,加之水雷发射引起的散布特性,增加了水雷封锁效能评估模型建立的难度。针对给定港口尺寸、具体布雷数目,如何给出最优的布阵策略以获得最高的封锁概率,也是一个值得进一步研究的问题。为此,本文针对特定水雷当量,研究了两种类型舰船典型设备毁伤及船舯总体折断对应的阈值,并以此为港口水雷布阵输入条件,优化水雷组网布阵策略。具体的研究思路如下:首先,以船体梁模型为研究对象,通过与已有实验对比研究,验证了声固耦合法的有效性。通过模拟典型舰船水下近场爆炸,总结了冲击波阶段和气泡脉动阶段舰船毁伤模式,重点分析了板架塑性变形、鞭状运动、总体折断等结构毁伤特征,深入研究了完整水下爆炸过程中船体结构的局部和总体毁伤特征,揭示了舰船结构的破坏模式。其次,针对不同水雷布阵深度下舰船的毁伤效果,一方面,以舰载设备冲击环境是否到达国军标设计值为考核标准,计及气泡脉动对冲击环境的影响,通过插值方法计算了两种舰船上典型设备的毁伤深度阈值。另一方面,以船舯剖面塑性铰和上层甲板塑性应变大小为考核标准,确定了两种舰船总体折断对应的水雷布阵深度及角度范围。从而,能够建立了水雷布阵毁伤区域模型,得到不同毁伤效能需求下水雷布阵深度。继而,计及水雷散布特性,建立了舰船目标不同通过方式下的港口封锁效能评估模型。通过蒙特卡罗算法验证了理论模型的有效性。重点分析了水雷布设精度、数量及毁伤半径对水雷散布概率的影响,总结了不同雷线宽度、水雷数量及舰船通过次序下舰船毁伤概率的变化规律。针对单枚水雷作用失效,分析了港口封锁效能的折减情况。此外,研究了水雷布设间距对舰船毁伤概率的影响,并以此为基础提出了水雷集中布设策略。最后,基于已建立的港口水雷封锁作战模型提出了粒子群水雷布阵方法,通过带压缩因子的粒子群优化算法(YSPSO)优化水雷数量和坐标配置,并对比了常规布阵策略与粒子群布阵策略的封锁效能优劣。此外,针对单艘和多艘舰船通过雷障,重点探讨了二维水雷布阵策略。

关键词：毁伤模式深度阈值散布特性封锁效能布阵优化

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双基地声呐系统的空间阵位设计分析

信号处理 2023年第10期39卷 1805-1818页

作者：马雪飞宋清华姚吉陶鹏胡鹏鹏周游哈尔滨工程大学信息与通信工程学院黑龙江哈尔滨150001 水声跨域应用联合实验室黑龙江哈尔滨150001 武汉第二船舶设计研究所湖北武汉430205 哈尔滨工程大学水声工程学院黑龙江哈尔滨150001 中国舰船研究设计中心湖北武汉430064 四川九洲电器集团有限责任公司四川绵阳610041 哈尔滨工业大学机电工程学院黑龙江哈尔滨150006

利用双基地声呐系统定位目标时,系统不同的布阵方式与布放结构会引起定位性能的显著差异,如何设计双基地系统的阵位结构来提高定位精度至关重要。针对这个问题,本文基于到达时间主动定位方法推导了误差估计的双基地声呐克拉美罗界,并以... 详细信息

利用双基地声呐系统定位目标时,系统不同的布阵方式与布放结构会引起定位性能的显著差异,如何设计双基地系统的阵位结构来提高定位精度至关重要。针对这个问题,本文基于到达时间主动定位方法推导了误差估计的双基地声呐克拉美罗界,并以最高定位精度为优化目标,研究了双基地声呐系统的空间阵位设计问题。其中,规范了系统测时误差服从零均值高斯白噪声假设的适用场景为合作定位场景,并针对非合作目标定位场景,推导了系统测时误差随着距离变化的数学表达式,从而修正了双基地声呐的克拉美罗界。不仅如此,还探究了系统测时误差、声速波动等干扰因子对目标定位精度的影响。最后仿真结果表明,未修正的双基地声呐最优阵位结构对应分置角为101.5°;而修正后的双基地最优阵位结构与系统配置有关。随着系统配置比的不断增大,双基地最优分置角会趋向于90°。该研究可以为双/多基地声呐系统的最优化配置提供布阵参考方案。

关键词：双基地声呐到达时间定位克拉美罗下界布阵优化

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稀疏节点阵列雷达近场波束形成技术研究

稀疏节点阵列雷达近场波束形成技术研究

作者：直聪聪西安电子科技大学

学位级别：硕士

稀疏节点阵列雷达是由天线阵元、节点、簇三级构成。少量天线单元组成一个节点,若干节点组成簇,多簇构成大型稀疏阵列。稀疏节点阵列雷达相比于传统密布阵列,在相同系统复杂度情况下由于阵列孔径更大,空间分辨力更高。相比传统雷达,稀... 详细信息

稀疏节点阵列雷达是由天线阵元、节点、簇三级构成。少量天线单元组成一个节点,若干节点组成簇,多簇构成大型稀疏阵列。稀疏节点阵列雷达相比于传统密布阵列,在相同系统复杂度情况下由于阵列孔径更大,空间分辨力更高。相比传统雷达,稀疏节点阵列雷达具有更大的三反一抗(反辐射、反侦察、反隐身、抗干扰)提升潜力、更强的战场生存能力。但是,由于节点间的电波长(节点间的距离除以波长)较大,即空间稀疏采样,空间稀疏带来高旁瓣或栅瓣,如何优化节点位置降低旁瓣是值得研究的问题。稀疏节点阵列的大孔径带来良好分辨力度的同时,也造成了目标位置通常处于阵列的近场,即远场平面波的假设不再成立,大孔径阵列雷达接收的目标散射回波为近场球面波。鉴于稀疏节点阵列回波模型鲜见文献报导,开展了回波模型描述与回波生成的研究。采用了节点间频分步进多发射波形,推导了稀疏节点阵列探测目标的回波公式,建立了描述近场目标的回波模型,按照此模型,说明了频分的LFM信号的时频关系。紧接着又对频分的LFM信号的模糊函数进行了研究,给出了自相关函数与互相关函数,通过仿真验证了信号的正交性。生成了目标处于近场的多节点发射多节点接收的回波数据。在仿真中通过单一发射信号匹配滤波检测结果验证了目标信号产生的有效性。瞄准稀疏节点阵列空域降旁瓣与近场球面波模型下空间增益获取的难题,开展了稀疏节点阵列近场波束形成技术的研究。设计了稀疏节点阵列几何构型,提出了发射信号分离与收发延迟补偿的近场三维波束形成方案,推导出稀疏节点阵列近场探测波束形成公式。通过仿真得到均匀线阵匹配情况下的峰值旁瓣比为8.05d B,其它失配的距离上峰值旁瓣比很快下降。对称指数分布线阵中指数分布系数为6时,匹配情况下的峰值旁瓣比为13.81d B。比较了对称指数分布阵列与均匀阵列的波束形成性能。相比于基于均匀线阵,仿真结果表明设计的稀疏对称指数分布阵列的近场波束形成峰值旁瓣比提高了5.7d B。通过改变指数分布系数,得到指数分布系数不同下的峰值旁瓣比,可以得出对称指数分布在相同系统复杂度的情况下,降低了空域旁瓣,降低了系统的虚警率。并且对称指数分布系数在3左右可以有较好的结果。

关键词：稀疏节点波束形成近场模型布阵优化

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分布式相参阵列波束形成方法研究

分布式相参阵列波束形成方法研究

作者：王萌西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着雷达探测技术的发展,人们对雷达的探测威力、探测精度和分辨能力的要求也越来越高。但机载雷达受到平台体积、载重量等因素的限制,功率孔径积不可能无限制地增加,因而雷达性能的提升会出现一个瓶颈。采用分布式无人机相参集群探测... 详细信息

随着雷达探测技术的发展,人们对雷达的探测威力、探测精度和分辨能力的要求也越来越高。但机载雷达受到平台体积、载重量等因素的限制,功率孔径积不可能无限制地增加,因而雷达性能的提升会出现一个瓶颈。采用分布式无人机相参集群探测的方式就可以突破这一瓶颈。通过增加无人机的数量,提升雷达系统的探测威力。分布式系统具有成本低、战场生存能力强、空间分辨率高的优点,但这种体制也给我们带来了一些新的问题。天线的稀疏排列会造成比较严重的栅瓣问题,这对于目标地无模糊估计、杂波及干扰的抑制是非常不利的。针对上述问题,本文提出一种基于多载频模式的均匀稀疏阵列解空间模糊的算法,此方法适用于无干扰的情况,可以较为准确地求解目标方向。然后讨论存在干扰的情况。设计一组波长使得除了目标方向外的其他所有角度至少在两个波长对应的方向图中都不处于栅瓣位置。再通过空域滤波与AMF检测器相结合实现对目标的无模糊定位。论文的主要工作概括如下:1、基于遗传算法的分布式相参阵列布阵优化。首先简要介绍了稀疏阵列优化的两类方法,分别为综合类方法及全局优化的随机搜索方法。本文主要对随机搜索方法中的遗传算法（GA）展开研究,首先介绍了遗传算法的生物学原理、基本思想和处理流程,然后基于遗传算法分别对稀布线阵、稀疏圆形阵列、分布式阵列及机载分布式阵列的排布进行优化,主要目标是在阵元个数及孔径大小给定的情况下,尽可能降低天线方向图的旁瓣。最后通过仿真试验对比优化后的阵列与均匀稀疏阵列的性能差异。2、针对搜索任务的分布式相参阵列设计方法。主要思想是将均匀稀疏阵列的栅瓣应用在雷达的搜索任务中,通过栅瓣对多个方向同时进行搜素,提升搜索的时间效率及发射信号的能量利用率。针对搜索结果存在空间模糊这一问题,类比多重频解距离模糊的方法,提出了一种利用多载频解空间模糊的方法。通过仿真实验分析该算法在理想条件和噪声背景下的性能。此外,还给出了一种近场模式下的坐标位置匹配算法。3、干扰背景下的目标无模糊定位。当均匀排布的雷达工作在跳变频模式,利用遗传算法对载频进行设计,使得除了目标方向外的其他所有角度至少在两个载频对应的方向图中都不处于栅瓣位置。然后对接收机接收到的回波数据做FA处理,并在处理结果的基础上使用AMF检测器来实现对目标的无模糊定位。

关键词：分布式阵列布阵优化空间模糊自适应波束形成