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基于优化理论的雷达发射波形与失配滤波器联合设计方法研究

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基于优化理论的雷达发射波形与失配滤波器联合设计方法研究

作者：李羽佳烟台大学

学位级别：硕士

雷达波形作为承载雷达系统信息的重要载体,其设计影响着雷达系统的定位精度、分辨率以及抗干扰等性能。因此,波形设计一直以来都是雷达系统技术优化的重点之一。脉冲压缩技术能够解决雷达作用距离与距离分辨率之间的矛盾,但是在波形经... 详细信息

雷达波形作为承载雷达系统信息的重要载体,其设计影响着雷达系统的定位精度、分辨率以及抗干扰等性能。因此,波形设计一直以来都是雷达系统技术优化的重点之一。脉冲压缩技术能够解决雷达作用距离与距离分辨率之间的矛盾,但是在波形经过脉冲压缩后通常会产生距离旁瓣,高的旁瓣电平可能会引发虚警或漏警等问题,影响雷达系统的探测性能。优化发射波形设计和回波处理是确保雷达系统探测性能的关键。通过基于优化理论设计发射波形,可以提供更高的自由度,实现低旁瓣脉冲压缩。同时,设计失配滤波器(Mismatched Filter,MMF)对回波进行优化处理,能够抑制强目标的干扰回波,实现高距离分辨率、低旁瓣和低失配,从而提高雷达系统的性能。相位编码波形需要与MMF相结合来实现脉冲压缩。然而,MMF的设计需要考虑具体的失配情况,并且MMF还会造成信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)的损失。针对以上问题,本文基于优化理论研究了脉冲压缩雷达中抑制旁瓣电平以及考虑SNR损失的相位编码波形与MMF联合设计问题,主要研究工作如下:(1)研究了基于优化最小化加速下降(Majorization Minimization Accelerated Descent,MMAD)算法的雷达波形和MMF联合收发设计。首先,为了抑制脉冲压缩旁瓣电平且减少SNR损失,提高雷达检测性能,提出了一种雷达发射波形和MMF的联合设计方法。联合积分旁瓣电平(Integrated Sidelobe Level,ISL)和逆信噪比(Inverse Signal-to-Noise Ratio,ISNR)作为目标函数建立了优化问题。其次,为了求解该具有分式结构的非凸问题,在迭代优化算法的框架下,提出了一种MMAD算法用来优化发射波形,并提供了收敛性的理论证明。仿真实验表明,该算法能在平衡ISL和ISNR性能的基础上有效降低SNR损失,同时可以获得较低的峰值旁瓣电平(Peak Sidelobe Level,PSL)。(2)研究了基于Lp范数的脉冲压缩旁瓣电平联合收发设计。为了降低旁瓣电平,联合设计发射波形和MMF,在恒模波形和滤波器能量的约束下,引入Lp范数度量灵活兼顾ISL和PSL,并以实际主瓣和期望主瓣的最小化之和为目标建立优化问题。提出一种基于Dinkelbach算法和优化最小化(Majorization-Minimization,MM)框架的非发射和接收(Transmit and Receive,T-R)迭代算法,该算法将发射波形和接收滤波器结合在一起进行同时更新,绕过传统的T-R迭代与初始化。仿真结果证明该算法具有良好的脉压性能,且通过调整权重可以实现脉冲压缩性能和SNR损失之间的灵活折衷。

关键词：波形设计脉冲压缩相位编码波形失配滤波器旁瓣抑制

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MIMO雷达中的CPCW设计及性能分析

系统仿真学报 2016年第5期28卷 1206-1212页

作者：申东李强刘昕周宇兰州交通大学电子与信息工程学院甘肃兰州730070 西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室陕西西安710071

基于混沌相位编码波形(chaotic phase coding waveform,CPCW)的良好相关性和随机性,提出了用CPCW提高多发多收(multiple-input multiple-output,MIMO)雷达目标检测性能的方法。通过对混沌序列的均匀量化、四相编码得到CPCW。比较4种CPC... 详细信息

基于混沌相位编码波形(chaotic phase coding waveform,CPCW)的良好相关性和随机性,提出了用CPCW提高多发多收(multiple-input multiple-output,MIMO)雷达目标检测性能的方法。通过对混沌序列的均匀量化、四相编码得到CPCW。比较4种CPCW的相关性,选取较长的Tent相位编码波形提高MIMO雷达的目标检测性能,特别是对相邻弱小目标的检测性能。同时,基于CPCW建立多脉冲压缩累积信号处理模型。该模型能够有效降低混沌波形的互相关和自相关旁瓣,提高MIMO雷达的目标检测性能,特别是对相邻弱小目标的检测性能。最后的仿真结果表明了该方法的有效性。

关键词： MIMO雷达混沌序列相位编码波形目标检测

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MIMO雷达中基于频率控制的波形优化设计

MIMO雷达中基于频率控制的波形优化设计

作者：董延焘南昌大学

学位级别：硕士

多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)雷达是一种新体制雷达。基于波形分集,MIMO雷达在杂波抑制、目标检测、参数估计、方向图综合等方面具备显著优势。雷达波形优化设计是雷达系统中的最基础和最重要的研究内容。MIMO雷... 详细信息

多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)雷达是一种新体制雷达。基于波形分集,MIMO雷达在杂波抑制、目标检测、参数估计、方向图综合等方面具备显著优势。雷达波形优化设计是雷达系统中的最基础和最重要的研究内容。MIMO雷达中的波形分集为波形优化设计提供了更多的自由度,使得MIMO雷达波形优化设计更为灵活。本文主要对MIMO雷达中特定结构波形,包括多载波波形和相位编码波形进行优化设计;通过对这两种波形进行频率控制,实现特定的优化目的。针对多载波波形,主要研究一种广义通用的频分线性调频-相位编码(Frequency Division Linear Frequency Modulation-Phase Code,FD-LFM-PC)波形,通过优化调节载频顺序或载频间隔以达到降低时域旁瓣、优化模糊函数、匹配空域方向图等目的。针对相位编码波形,主要研究一种频谱受限的恒模多相序列集,包括互补序列集和正交序列集;通过对序列的功率谱和相关性能进行优化设计,得到了频谱能量稀疏分布的恒模多相序列集。论文主要工作如下:第一部分,针对载波顺序控制的正交频分线性调频-相位编码(Orthogonal-FD-LFM-PC,OFD-LFM-PC)波形进行空时优化设计。OFD-LFM-PC波形是一种载波频率正交的多载波波形。首先,分析了 OFD-LFM-PC波形的空时特性,分析表明OFD-LFM-PC波形能够抑制OFD-LFM波形空域合成信号的自相关栅瓣,相对OFD-LFM波形,具备更低的空域自相关旁瓣;然后,以载波频率顺序和载波上调制的相位编码矩阵为波形优化参数,以空域合成信号的时域自相关旁瓣水平和全向方向图逼近误差为优化目标建立了基于载波顺序控制的OFD-LFM-PC波形优化模型。对该模型的分析表明该模型为一种多目标多变量非线性离散优化模型;最后,提出了一种嵌套遗传算法的粒子群算法对该模型进行优化求解。仿真试验表明,所提出的算法能有效求解上述优化模型;优化后的波形在保持近似全向空域发射方向图的同时,有效降低了空域合成信号的自相关旁瓣水平,从而增强了雷达探测性能。第二部分,针对载波间隔控制的频分线性调频-相位编码FD-LFM-PC波形进行空时优化设计。FD-LFM-PC波形是一种载波频率可不正交的多载波波形。首先,分析了 FD-LFM-PC波形的时域模糊函数特性以及空域方向图特性,并将FD-LFM-PC波形的时域特性与FD-LFM波形和FD-PC波形进行了对比。分析表明本文中提出的FD-LFM-PC波形能够消除FD-LFM波形的模糊栅瓣问题和距离多普勒耦合问题,同时本文中波形具有更多的波形参数,因此具有更多的优化空间。然后,以波形的载频间隔、载波上调制的LFM-PC波形带宽、载波上调制的相位编码为参数,以空域合成信号的模糊函数旁瓣水平和非全向方向图匹配为优化目标建立了基于载波间隔控制的FD-LFM-PC波形优化模型。该模型同样是一个双目标约束优化模型,该双目标约束优化模型包含为了线性约束优化和非线性约束优化两部分。因此为了进一步提高算法设计的优越性,提出一种分步约束优化方法,确定一个目标问题作为主优化目标,另外一个确定为次优化目标,通过分步约束迭代最终求得两个目标函数的最优解。最终选择序列二次规划和自适应克隆选择算法对上述的模型就行求解。仿真试验结果表明,本文中提出的算法能够有效求解上述的优化模型;优化之后的波形具有更好的相关性能,同时能够满足不同方向图设计的要求。第三部分,针对功率谱密度控制的相位编码序列集设计。互补序列集是一种非周期自相关之和为理想的冲击函数的相位编码序列集;正交序列集是一种具有良好自相关和互相关性能的相位编码序列集。本文首先对已有的互补码序列集和正交序列集进行分析总结,通过分析表明,序列长度、个数和相位数都受限;频谱能量随机分布不受限。然后,以相位编码序列集的相位为优化变量,将序列集的加权积分旁瓣电平和加权功率谱密度函数作为代价函数建立了线性无约束优化模型,设计出一种恒模多相的稀疏频谱互补序列集(Complementary Sparse Frequency Waveform set,CSFWS)和稀疏频谱正交序列集(Orthogonal Sparse Frequency Waveform set,OSFWS)。该优化模型是一个线性无约束优化问题,最后提出一种基于共轭梯度下降的快速算法来求解上述的优化模型。试验仿真结果表明,基于共轭梯度下降的算法能够实现上述两个序列集问题的求解,同时证明本文中的算法相比其他已知算法具有更高的时效性。

关键词： MIMO雷达多载波波形相位编码波形算法优化设计

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基于约束优化理论的雷达波形设计

基于约束优化理论的雷达波形设计

作者：张倩烟台大学

学位级别：硕士

基于约束优化理论进行波形设计可以实现灵活而广泛的波形应用,使雷达获得更高自由度,提高探测性能。相位编码波形拥有较大的压缩比,是一种大时宽、大带宽的脉冲压缩信号。然而对于运动目标而言,该波形具有多普勒敏感性。这将严重影响雷... 详细信息

基于约束优化理论进行波形设计可以实现灵活而广泛的波形应用,使雷达获得更高自由度,提高探测性能。相位编码波形拥有较大的压缩比,是一种大时宽、大带宽的脉冲压缩信号。然而对于运动目标而言,该波形具有多普勒敏感性。这将严重影响雷达的目标定位、距离和速度分辨率、测距和测速精度等,同时该问题也制约了该波形的应用范围。多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)雷达具备灵活的波形分集能力,它可以提供较多的系统自由度,且在分辨率、参数识别能力等方面都有显著优势。然而MIMO雷达波形在受到杂波或干扰影响时优越性下降,难以在保证检测性能的同时实现多任务的发射与接收波束形成联合设计。同时,其问题模型的求解往往也是一个难点。针对以上问题,本文基于约束优化理论研究了单基地雷达中具有高多普勒容忍性的相位编码波形设计问题和MIMO雷达中具有多任务要求的发射与接收波束形成联合设计问题,主要研究工作如下:(1)针对雷达系统中相位编码波形多普勒敏感的问题,提出了一种在恒模(Constant Modulus,CM)约束下具有高多普勒容忍性的发射波形设计方法。该方法将理想局部模糊函数(Local Ambiguity Function,LAF)与真实LAF的方差作为目标函数建立极小化问题。为了求解该非凸四次问题,提出了一种模板匹配序列优化(Template Matching Sequence Optimization,TMSO)算法,通过引入辅助变量和问题变换,最终可以得到原问题的解,其中涉及了两个交替迭代的具有闭式解的子问题。仿真结果表明,该方法所设计的波形不仅具有较高的多普勒容忍性,还具有一定低截获率(Low Probability of Intercept,LPI)性能。此外,在算法的执行效率方面也比参考算法快了至少两个数量级,具有显著的优势。(2)针对MIMO雷达系统中发射波束形成矢量和接收波束形成矢量的联合设计问题,信号依赖型干扰的背景下的信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR)被作为性能指标。该设计研究了相似锥、功率和能量的多重约束下的最大化SINR问题,且可以在一定程度上保证良好的发射方向图。为了解决提出的优化问题,基于一些数学操作来组合发射波束形成矢量和接收波束形成矢量,使它们可以同时更新,从而绕过传统的发射和接收(Transmit and Receive,T-R)迭代与初始化。仿真实验证明,提出方法灵活地权衡了最大化SINR与良好发射方向图两个指标。相比于传统T-R迭代方法,提出方法达到的性能更优,且其运行时间快了至少200秒。

关键词：波形设计相位编码波形多普勒容忍性信干噪比发射与接收波束形成联合设计

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基于波形设计的抗欺骗干扰方法研究

基于波形设计的抗欺骗干扰方法研究

作者：盛彪电子科技大学

学位级别：硕士

欺骗干扰产生自基于数字射频存储器(DRFM)的现代干扰机对其所截获雷达信号的转发,因此能在雷达接收端处理流程中形成虚假目标,使雷达难以检测出真实目标的存在,且无端占据雷达系统尤其是信号处理部件的可用硬件资源,破坏了雷达的正常工... 详细信息

欺骗干扰产生自基于数字射频存储器(DRFM)的现代干扰机对其所截获雷达信号的转发,因此能在雷达接收端处理流程中形成虚假目标,使雷达难以检测出真实目标的存在,且无端占据雷达系统尤其是信号处理部件的可用硬件资源,破坏了雷达的正常工作乃至使雷达面临武器打击。因此,对抗欺骗干扰的有关理论与技术成为广大研究者的研究焦点。本文围绕抗欺骗干扰,以波形设计为支撑,进行了如下研究:1、研究了由基于DRFM的现代干扰机产生的两大类共五种欺骗干扰,给出了各干扰的详细产生流程与数学表达式,利用干扰效果的仿真分析了其对雷达真实目标检测的影响。2、研究了基于相位扰动的LFM波形设计抗距离欺骗干扰的方法,通过合理选择相位扰动项中的参数值对波形集内各脉冲加以不同的相位扰动,该方法将各波形的自相关峰值旁瓣电平和所有波形对之间的互相关峰值电平抑制到一定程度,使得该波形对于与雷达发射波形高度相干的三种典型距离欺骗干扰有较好的抑制效果。3、研究了基于相位编码波形设计抗距离欺骗干扰的方法,对于特定干扰形式与参数,通过降维搜索求解优化问题,该方法自适应地设计相位编码波形脉内的各码片相位值,在考虑抑制发射波形集内各波形自相关旁瓣电平的基础上,同时更有针对性地抑制发射波形与具有特定参数的干扰波形的互相关电平,使得该波形能有效抑制三种典型距离欺骗干扰。4、研究了基于调频率扰动的LFM波形设计抗速度欺骗干扰的方法,利用各脉冲之间不同的调频率扰动,该方法实现了波形集内波形的自相关函数和互相关函数在零处取值的差异,从而在一定程度上对抗了速度欺骗干扰。5、研究了基于初相扰动的LFM波形设计抗速度欺骗干扰的方法,根据速度欺骗干扰的参数,分别采用基于多普勒域抑制范围内干扰能量最小准则和基于多普勒谱模板的方法自适应地设计脉间初相序列,使得干扰的能量在经多普勒处理后分布于非目标多普勒谱线附近区域,以此让目标附近的信干比得到大幅度改善,即有效对抗强速度欺骗干扰。

关键词：波形设计线性调频波形相位编码波形欺骗干扰

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基于粒子采样投影的雷达低旁瓣复合波形设计

系统工程与电子技术 2023年第4期45卷 1008-1015页

作者：冯翔李风从范羽刘涛崔文卿赵宜楠哈尔滨工业大学(威海)信息科学与工程学院山东威海264209

非合作无人机机动性强、易被建筑物遮挡,往往具备信号截获能力,给传统雷达探测带来严峻挑战。对此,提出基于粒子采样投影的恒模波形设计方法来获得局部低旁瓣、低截获波形。首先,利用混沌相位编码的随机性构造复合波形,增强波形低截获性... 详细信息

非合作无人机机动性强、易被建筑物遮挡,往往具备信号截获能力,给传统雷达探测带来严峻挑战。对此,提出基于粒子采样投影的恒模波形设计方法来获得局部低旁瓣、低截获波形。首先,利用混沌相位编码的随机性构造复合波形,增强波形低截获性能;接着,引入低旁瓣波形设计的数学模型,并转化为多变量交替范数迭代优化问题;进而,借鉴粒子滤波采样思想、交替投影框架,构建粒子集群同步投影、采样更新机制。仿真实验表明,所提算法运算效率高、稳定性强,波形兼具低旁瓣、低截获与多普勒容忍性,与当前流行算法相比具有显著优势。

关键词：智能雷达粒子滤波局部低旁瓣低截获率相位编码波形

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低距离旁瓣雷达系统设计方法综述

航空兵器 2015年第4期22卷 3-7,15页

作者：吴灏范红旗付强国防科学技术大学ATR实验室长沙410073

雷达工作环境日益复杂,为抑制距离旁瓣遮蔽和多路径干扰,设计具有低距离旁瓣的雷达系统,具有重要的现实意义。本文综述了低距离旁瓣雷达系统设计方法,重点研究了相位编码波形设计,自适应滤波器设计,波形与滤波器联合设计等方法,并讨论... 详细信息

雷达工作环境日益复杂,为抑制距离旁瓣遮蔽和多路径干扰,设计具有低距离旁瓣的雷达系统,具有重要的现实意义。本文综述了低距离旁瓣雷达系统设计方法,重点研究了相位编码波形设计,自适应滤波器设计,波形与滤波器联合设计等方法,并讨论了下一步的研究工作。

关键词：低距离旁瓣相位编码波形自适应滤波器联合设计

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雷达波形研究发展现况与趋势(英文)

雷达学报（中英文） 2014年第5期3卷 603-621页

作者：曹思扬郑元芳俄亥俄州立大学电子与计算机工程系美国哥伦布OH43210

高速数字处理器技术与微波固态功率放大器技术的发展使得现代雷达系统采用更加灵活的波形设计变得可行。事实上,波形的选择对雷达系统的整体性能有着巨大的影响。该文回顾了传统的雷达波形设计技术,阐述了包括基于小波波形在内的针对新... 详细信息

高速数字处理器技术与微波固态功率放大器技术的发展使得现代雷达系统采用更加灵活的波形设计变得可行。事实上,波形的选择对雷达系统的整体性能有着巨大的影响。该文回顾了传统的雷达波形设计技术,阐述了包括基于小波波形在内的针对新一代雷达设计的波形,并且分析了新一代雷达波形设计技术如何支持更加灵活多变的应用。该文尝试展示一个这样的事实,为了改善检测性能,雷达波形设计在针对特殊的用途(包括雷达测距和测速)中变得更加重要,从而改进雷达系统的性能和应用范围。

关键词：雷达波形脉冲压缩波形相位编码波形多输入多输出(MIMO)雷达小波