正交波形MIMO雷達(dá)信號設(shè)計及處理研究（可編輯）

1、 電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文正交波形mimo雷達(dá)信號設(shè)計及處理研究姓名:段軍棋申請學(xué)位級別:博士專業(yè):信號與信息處理指導(dǎo)教師:何子述20091101摘要摘要多輸入多輸出雷達(dá)概念先后由麻省理工學(xué)院林肯實驗室、貝爾實驗室和新澤西技術(shù)研究所等單位提出,近年來得到了廣泛研究,成為雷達(dá)領(lǐng)域理論和實驗研究的熱點。?通常雷達(dá)的各個發(fā)射天線或子陣、或陣元分別發(fā)送相互正交的信號,在空間形成低增益寬波束;各個接收天線或子陣,或陣元獨立地接收信號然后通過信號處理實現(xiàn)信號的合成和積累,稱為正交波形雷達(dá)以下簡稱正交雷達(dá)。正交雷達(dá)在目標(biāo)檢測性能、角度測量能力、動態(tài)范圍和主瓣低截獲概率特性等方面優(yōu)于傳統(tǒng)雷達(dá)。正交雷達(dá)的波形直

2、接影響雷達(dá)的最終性能,只有具有良好特性的波形才能充分發(fā)揮雷達(dá)的探測潛力,因此交波形設(shè)計成為正交雷達(dá)系統(tǒng)的重要研究課題。近年來已有一些對正交雷達(dá)波形設(shè)計的研究,但現(xiàn)有研究結(jié)果在使用中受到不同程度的限制。本文針對正交雷達(dá)波形設(shè)計及相關(guān)的信號處理進(jìn)行了深入研究,主要工作和貢獻(xiàn)如下:、正交多頻信號設(shè)計及處理。研究了通用的正交多頻信號形式,列舉了幾種可能的類型,指出常規(guī).和正交多相編碼均為其特例。提出了針對多頻信號的多普勒模糊分辨技術(shù)、多普勒積累方法和高分辨多普勒處理算法,并對它們的性能進(jìn)行了理論或仿真分析。引入多載波相位編碼信號及其調(diào)幅形式到雷達(dá)中,并給出了一種快速的脈壓方法。、正交噪聲信號設(shè)計。提出

3、了改善雷達(dá)探測性能的噪聲信號產(chǎn)生和優(yōu)化方法。特別地,引入了譜成形技術(shù)優(yōu)化旁瓣和提出了一種控制信號峰值因子的非線性映射,通過調(diào)節(jié)映射函數(shù)的參數(shù)能夠得到不同的峰值因子。同時又借助于噪聲信號本質(zhì)上具有的良好互相關(guān)特性,設(shè)計結(jié)果的相關(guān)性能較現(xiàn)有的雷達(dá)信號如正交離散頻率編碼信號、正交多相編碼信號等得到顯著提高。、正交混沌信號設(shè)計。研究了混沌系統(tǒng)參數(shù)和初值與雷達(dá)探測性能的關(guān)系。給出了系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化準(zhǔn)則和初值選擇的方法,改變模擬信號帶寬的兩種方法并對濾波處理進(jìn)行了研究。在具體設(shè)計時,首先選擇適合雷達(dá)基本探測要求的混沌系統(tǒng)及其參數(shù)產(chǎn)生信號胚,根據(jù)探測要求設(shè)計信號帶寬,然后通過信號處理優(yōu)化方摘 要法,產(chǎn)生適合正交

4、雷達(dá)探測的信號集。、步進(jìn)時問間隔脈沖串波形設(shè)計及其信號處理。提出了一種特殊的時間編碼信號及其對應(yīng)的信號處理算法。給出了相干處理和雙極性非相干處理兩種實現(xiàn)結(jié)構(gòu)。相干利用可實現(xiàn)快速處理,能夠同時無模糊地進(jìn)行目標(biāo)距離和多普勒測量:雙極性非相干處理運算簡單,能夠用于不需要多普勒信息、常規(guī)非相干雷達(dá)或簡易雷達(dá)系統(tǒng)中。、基于信號的正交編碼波形設(shè)計。提出了三種下交編碼方法,即詎交頻分編碼、正交參差間隔編碼和正交隨機間隔編碼。針對參差間隔編碼方法,給出了設(shè)計的基本原則并提供了一個設(shè)計示例,能夠得到理想的距離旁瓣特性。針對正交隨機間隔編碼模式,提供了一個仿真實驗,結(jié)果表明通過該方法能夠設(shè)計較大數(shù)量具有優(yōu)良特性的

5、正交波形,自相關(guān)峰值旁瓣電平和互相關(guān)峰值電平優(yōu)于.。上面研究的正交雷達(dá)波形設(shè)計及其相關(guān)的信號處理方法可直接或經(jīng)過少量修改應(yīng)用于雙基地、多基地雷達(dá)系統(tǒng)中。部分波形的單信號版本,如優(yōu)化的噪聲信號、混沌信號和信號等,可作為常規(guī)雷達(dá)的信號,以改進(jìn)現(xiàn)有雷達(dá)的探測性能。關(guān)鍵詞:雷達(dá),多基地雷達(dá),正交波形設(shè)計,低截獲概率信號,下交多頻信號? ?, . ., ;. ., ., ., . ,., ,., . . .? ., ?. . , ? ? ,. . . .,.,.,. . . ?.,. . .。 .; ,.: , , ?通峭符號說明通用符號說明本文中大寫黑體下體表示矩陣,小寫黑體體表示向量復(fù)共軛轉(zhuǎn)置埃米特

6、轉(zhuǎn)置?月轉(zhuǎn)置運算? 復(fù)共軛運算矩陣求逆運算?以均值運算方差運算以為底的指數(shù)函數(shù)以為底的對數(shù),。?峰值因子算符?雷達(dá)模糊函數(shù)?,?沖激函數(shù)或稱函數(shù)雷達(dá)載波頻率多普勒頻移厶雷達(dá)載波波長,目標(biāo)徑向運動速度陣元間距光速,/石圓周率壓獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知,除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外,論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果,也不包含為獲得電子科技大學(xué)或其它教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。簽名:二罄翠挺,.日期;加刀年/月弓礦日論文使用授權(quán)本

7、學(xué)位論文作者完全了解電子科技大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定,有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤,允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)電子科技大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索,可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定簽名:覡導(dǎo)師日期第章緒論第一章 緒論.引言對電磁波空間傳播特性的物理實驗研究已有個多世紀(jì)的歷史。早在年,德國物理學(xué)家用一個實驗系統(tǒng)進(jìn)行的實驗表明無線電波與光具有相同的特征,可從物體反射和折射,驗證了電磁信號的基本特性,證實了的電磁場理論卅。雖然沒有進(jìn)行實際應(yīng)用研究,但是卻為無線電探測奠定了基礎(chǔ)。于年

8、丌發(fā)了一個用于導(dǎo)航的發(fā)射接收無線電系統(tǒng),并申請了專利,。雖然這種系統(tǒng)當(dāng)時并不稱之為雷達(dá),但該裝置原理上與現(xiàn)代的雷達(dá)相似,是雷達(dá)的雛形。在第一次世界大戰(zhàn)和第二次世界大戰(zhàn)之間,也就是世紀(jì)年代,由于軍用轟炸機的出現(xiàn),雷達(dá)幾乎同時而又基本獨立地在多個國家如美國、英國、德國、蘇聯(lián)、法國、意大利、只本和荷蘭被重新發(fā)現(xiàn)和研制出來。早期雷達(dá)的主要任務(wù)是測量目標(biāo)方位、距離和速度。方位通過天線機械轉(zhuǎn)動提供波束掃描來進(jìn)行估計;距離通過測量發(fā)射脈沖與回波之間的延遲計算得到;速度通過電磁波的多普勒效應(yīng)來獲取。天線機械轉(zhuǎn)動存在很大慣性,且機械轉(zhuǎn)動速度非常有限,不能同時完成多任務(wù),比如邊掃描邊跟蹤、多目標(biāo)跟蹤等【每。五十年

9、代末,飛機的大量應(yīng)用和洲際導(dǎo)彈的出現(xiàn),傳統(tǒng)機械掃描雷達(dá)很難滿足對復(fù)雜空間的監(jiān)控需求。六十年代初出現(xiàn)的相控陣技術(shù),天線波束由計算機控制,天線照射方向由原來的機械旋轉(zhuǎn)演變到電子掃描,天線照射方向的改變幾乎無慣性,借助時分復(fù)用技術(shù)在完成空間掃描的同時實現(xiàn)多目標(biāo)跟蹤。相控陣?yán)走_(dá)較好地滿足了雷達(dá)的多任務(wù)和快速跟蹤的需求。傳統(tǒng)的相控陣?yán)走_(dá)要對弱目標(biāo)進(jìn)行探測,則需要大功率孔徑積的發(fā)射,從而信號容易被電子情報系統(tǒng)截獲。雖然低截獲概率信號的應(yīng)用從一定程度上降低了被截獲的可能性,但尚無法滿足日益增加的對信號低截獲性能的要求。從強雜波背景中檢測弱目標(biāo)的能力給雷達(dá)的動態(tài)范圍提出了更高的要求,目前可實現(xiàn)的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器

10、位數(shù)非常有限,使得需要的動態(tài)范圍無法實現(xiàn)。另一方面,在某些情況下慢速運動目標(biāo)檢測成為雷達(dá)的一個重要任務(wù),根據(jù)經(jīng)典的信號理論,處理的信號長度越長意味著更高的速度分辨力,因此需要長持電子科技人學(xué)博學(xué)伊論文續(xù)信號或者脈沖串信號而不是短時照射脈沖信號。綜上所述,傳統(tǒng)雷達(dá)和標(biāo)準(zhǔn)相控陣?yán)走_(dá)都很難完全滿足現(xiàn)代雷達(dá)探測需求】。更多的關(guān)于中外雷達(dá)發(fā)展歷史與現(xiàn)狀的介紹可參見有關(guān)的雷達(dá)綜述文章正如博士在年出版的“ .”中,譯本雷達(dá)系統(tǒng)導(dǎo)論,第三版,年出版前言中所述,一些重要的雷達(dá)課題已經(jīng)成熟,并且近年來沒有太大進(jìn)展。另一方面值得注意的是,現(xiàn)代雷達(dá)探測對性能的要求是無止境的,特別是性能、角度測量能力、距離測量精度和多

11、普勒測量等等。在某些情況下,基于傳統(tǒng)雷達(dá)體制設(shè)計的系統(tǒng)需要太多的折衷,甚至在很大程度上設(shè)計性能離期望值相去甚遠(yuǎn)。.雷達(dá)研究動態(tài)技術(shù)在移動通信中得到廣泛研究。如果將移動通信系統(tǒng)的傳輸信道看成一個系統(tǒng),則發(fā)射信號可看成移動信道系統(tǒng)的輸入信號,而接收信號可看成移動信道的輸出信號。從世紀(jì)年代中期以來,實驗室等先后提出在無線通信系統(tǒng)中的基站和移動端均采用多天線方案。對移動信道這樣一個系統(tǒng)而言,有多個信號輸入和多個信號輸出,這種多發(fā)多收的通信模式稱為通信。由于通信系統(tǒng)可獲得空間分集增益,能顯著地提高移動通信系統(tǒng)在衰落信道條件下的信道容量。特別是對大角度擴展信道,其性能改善尤為明顯。理論分析表明,信道容量與

12、收發(fā)兩端天線陣元數(shù)有直接關(guān)系孫矧。在某些情況下,可能使用單輸入多輸出和多輸入單輸出配置,作為系統(tǒng)的特殊形式。.提出泛探雷達(dá)概念。雷達(dá)界一直期望尋求新的體制以改進(jìn)雷達(dá)探測性能,降低雷達(dá)信號被截獲概率。由此,提出對空中監(jiān)控雷達(dá)的改進(jìn)措施,在雙波段空域覆蓋的基礎(chǔ)上,引入泛探雷達(dá)概念,也就是“隨時探測各處。雷達(dá)發(fā)射寬波束以覆蓋所有感興趣區(qū)域,通過長時間信號積累實現(xiàn)遠(yuǎn)距離目標(biāo)或快速的近距離彈出式目標(biāo)探測瞄瑚。法國國家航天局較早提出了綜合脈沖孔徑雷達(dá)概念。當(dāng)時的目的是為了解決雷達(dá)探測隱身目標(biāo)問題和提高雷達(dá)抗反輻射導(dǎo)彈的能力。由于大量隱身飛行器使用的隱身材料都是針對厘米波段雷達(dá)而設(shè)計,因此通常隱身對米波雷達(dá)

13、無效,故米波雷達(dá)可探測到隱身目標(biāo)。但米波雷達(dá)由于信號波長較長,如果第一章緒論要獲得足夠高的角度分辨率,就要求米波雷達(dá)天線應(yīng)有大的徑尺寸。為了在天線陣元數(shù)和口徑尺寸問獲得折衷選擇,采用大陣元間距的隨機稀布陣。為了提高雷達(dá)抗反輻射導(dǎo)彈的能力,雷達(dá)采用將發(fā)射天線和接收天線分丌放置的布陣方式;為了使認(rèn)雷達(dá)具有全向探測能力,采用大口徑稀布圓環(huán)陣列形式。西安電子科技大學(xué)等從上世紀(jì)年代中期丌始對雷達(dá)進(jìn)行了卓有成效的研究。雷達(dá)采用稀布陣,各陣元的發(fā)射波形相互正交,具有雷達(dá)的一些特征,已經(jīng)進(jìn)行了部分演示驗證,被認(rèn)為是現(xiàn)代雷達(dá)的雛形【。受技術(shù)成功應(yīng)用于通信和雷達(dá)技術(shù)的啟發(fā),引入數(shù)字波束形成技術(shù)和泛探概念,多輸入多

14、輸出雷達(dá)概念應(yīng)運而生。雷達(dá)技術(shù).,引用通信騮中的部分概念和方法,綜合現(xiàn)代數(shù)字陣列波束形成技術(shù)鈞】和空域泛探監(jiān)控雷達(dá)原理,是雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域的最新進(jìn)展,能夠部分解決現(xiàn)有雷達(dá)存在的問題。雷達(dá)可以簡單地定義為具有多個發(fā)射或接收天線或子陣、或陣元、或簡稱端。下面的討論將用其中一詞,但對其它類型也適用,對接收信號進(jìn)行聯(lián)合處理的一種雷達(dá)。雷達(dá)按照天線的布置主要分為兩種類型:集中式雷達(dá)【 和分布式雷達(dá)引。;按波形形式,可分為正交波形雷達(dá)和非正交波形可能是部分相關(guān)或完全相關(guān)波形雷達(dá)。需要注意的是集中式雷達(dá)可以是正交波形雷達(dá),也可以是非正交波形雷達(dá)。同樣地,分布式雷達(dá)可以是正交或非正交波形雷達(dá)。反之亦然。正交波形雷

15、達(dá)簡稱正交雷達(dá)任意兩個發(fā)射陣元之間的信號是相互正交的。除非特別聲明,本文介紹的雷達(dá),無論集中式還是分布式雷達(dá),均指正交雷達(dá)。雖然大多數(shù)雷達(dá)發(fā)射正交波形,但非正交波形的雷達(dá)也有一些研究,比如部分相關(guān)信號雷達(dá),但本文的研究僅限于正交波形雷達(dá)。年,美國麻省理工林肯實驗室為解決水面弱目標(biāo)探測問題,研制了一個陣元的數(shù)字陣列泛探雷達(dá),研究表明動態(tài)范圍與陣列陣元數(shù)有直接關(guān)系,信號的被截獲概率顯著降低。年底,等對陣元泛探雷達(dá)的性能進(jìn)行了深入分析并研究了新型雷達(dá)的時間能量管理問題【列。他們研究的這種雷達(dá)發(fā)射天線陣元和接收天線陣元以較小的空間間隔排列在一起,陣元的間距小于或等于半波長。常規(guī)的數(shù)字陣?yán)走_(dá)通過一定的改

16、進(jìn)主要是波形的更替和信號處理方法的修改就能夠?qū)崿F(xiàn)這種工作模式,與現(xiàn)有數(shù)字陣列雷達(dá)具電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文有一定的兼容性。由于天線陣元以不大于半波長集中排列,因此稱集中式雷達(dá)。大量文獻(xiàn)【銣對集中式雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行了研究。和】等證明了集中式雷達(dá)能夠提供更高的分辨,等顯示了在檢測慢速運動目標(biāo)時能夠提供更高的靈敏度,和,和”】研究表明了雷達(dá)具有更好的參數(shù)辨識能力,和】,等【】直接引入自適應(yīng)陣列處理技術(shù)于集中式雷達(dá)中。年月和對他們近年來對集中式雷達(dá)研究的部分成果進(jìn)行了概述,表明集中式雷達(dá)在參數(shù)可辨識性,設(shè)計波束的靈活性,干擾抑制性能等方面優(yōu)于常規(guī)相控陣?yán)走_(dá),而且很多自適應(yīng)陣列信號處理技術(shù)能夠直接應(yīng)用于該類

17、系統(tǒng)【。圖.和圖.分別給出了傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)和集中式雷達(dá)的基本信號原理【。目標(biāo)圖.相控陣?yán)走_(dá)信號原理圖.集中式雷達(dá)信號原理第一章緒論圖是林肯實驗室的波段集中式實驗雷達(dá)陣列舊,他們對寬波柬發(fā)射時即工作于狀態(tài)下的相位噪聲特性、雜波抑制能力、測角精度、性能和時間能量管理問題等進(jìn)行了深入研究.證明了工作模式相對于傳統(tǒng)相控陣模式具有很多優(yōu)越性。集中式雷達(dá)發(fā)射信號互不相關(guān)。但接收端對某一目標(biāo)而言空間信號是相關(guān)的,一般采用空間相干接收,所以叉稱為發(fā)射信號分集雷達(dá)。圖林旨實驗空的波段集中式實驗雷達(dá)陣列年,等提出了分布式雷達(dá)的概念,由于采用統(tǒng)計方式處理又稱為統(tǒng)計雷達(dá)口”。他們把目標(biāo)雷達(dá)截面積建模成一個隨機過程,利

18、用空間分集的統(tǒng)計處理方式來進(jìn)行目標(biāo)探測。一些文獻(xiàn)對這種雷達(dá)進(jìn)行了進(jìn)一步深入的理論研究【鲺站蚺】。分布式雷達(dá)利用多個空間分置的發(fā)射機和接收機或?qū)挿植嫉陌l(fā)射接收陣元,與通信從概念上緊密相關(guān)。常規(guī)雷達(dá)探測中的目標(biāo)隨目標(biāo)角度變化呈現(xiàn)較大起伏或稱目標(biāo)閃爍。如圖.所示舊,給可靠探測帶來很大困難。然而這種目標(biāo)閃爍特性與移動通信中的信道衰落相似,分布式雷達(dá)就是利用這種閃爍特性來改善對目標(biāo)參數(shù)的測量。分布式雷達(dá)具有很多優(yōu)良特性。相干處理能夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)定位的高分辨特性。使用非相干的處理,在目標(biāo)撿鍘和參數(shù)比如到達(dá)角和多普勒估計中也能獲得較大的分集增益,圖給出了國外的一個分布式雷達(dá)陣列舊。電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文圖

19、波段實驗用分布式雷達(dá)陣列分布式雷達(dá)又稱為收發(fā)全分集雷達(dá)的基本原理如圖?所示。收發(fā)全分集要求天線接收陣元間距,和發(fā)射陣元間距,與目標(biāo)尺寸和距離尺滿足信號的去相關(guān)條件,以實現(xiàn)完全的空間分集增益。正如中國北宋時期詩人蘇軾的一首詩中所描述“橫看成嶺側(cè)成峰,遠(yuǎn)近高低各不同”的道理,分布式雷達(dá)同時通過多個不同的角度探測目標(biāo),使得目標(biāo)檢測更穩(wěn)定。一個分布式雷達(dá)的特例是發(fā)射相關(guān)信號,僅在接收端采用多個分布式通道以實現(xiàn)空間去相關(guān)。這種配置稱為接收分集即模式雷達(dá)。接收分集雷達(dá)的接收信號經(jīng)臺成后信噪比接近常數(shù),對抗目標(biāo)起伏有一定的作用。與此相對的是多十發(fā)射端和一個接收端配置的發(fā)射分集即第章緒論模式雷達(dá),是分布式雷達(dá)

20、的另一個特例。這種模式在波形設(shè)計方面與傳統(tǒng)雷達(dá)并無多大差異。傳統(tǒng)雷達(dá)雖然也有少量文章稱之為雷達(dá)州】,這里為區(qū)別工作模式起見,仍稱雷達(dá)。是 弘 丫巾圖分布式雷達(dá)原理值得一提的是,分布式雷達(dá)雖然也是多基地雷達(dá)的一種形式,但與傳統(tǒng)的多基地雷達(dá)在概念和處理模式上有很大不剛?！薄俊＝鼛啄?國內(nèi)電子科技大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、清華大學(xué)和南京理工大學(xué)等單位對雷達(dá)包含峨的波形設(shè)計和綜合,目標(biāo)檢測和定位等方面也進(jìn)行了一些研究。由于相控陣?yán)走_(dá)被認(rèn)為是目前工程應(yīng)用中較先進(jìn)的雷達(dá)體制,多方面性能指標(biāo)均優(yōu)于其它類型常規(guī)雷達(dá),因此本文主要以傳統(tǒng)的相控陣?yán)走_(dá)作為參考進(jìn)行比較闡述。已有的研究表明雷達(dá)多方面性能顯著優(yōu)于經(jīng)典的相

21、控陣?yán)走_(dá)【.】。比如每個發(fā)射機發(fā)射不同的信號,空間不會形成高功率密度的窄波束,通過波形的合理設(shè)計可以實現(xiàn)主瓣超低截獲概率性能矧。由于通過長時間照射和多侖接收端同時處理,雷達(dá)的動態(tài)范圍和多普勒分辨能力顯著提高。更重要的是,雷達(dá)具有同時執(zhí)行多任務(wù)能力,而傳統(tǒng)的相控陣?yán)走_(dá)某時間段內(nèi)只能完成一個功能,通過分時的方式順序地執(zhí)行多功能。另外,雷達(dá)在角度測量、參數(shù)可辨識性、目標(biāo)檢測等方面也明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的相控陣?yán)走_(dá),.】雷達(dá)能夠獲得目標(biāo)更豐富的信息,其出現(xiàn)給雷達(dá)界帶來了新的發(fā)展機遇,隨著進(jìn)一步深入研究,可能發(fā)掘其更多優(yōu)越特性,具有重要的研究價值。電子科技人學(xué)事十學(xué):論文雷達(dá)在每個陣元發(fā)射不同的信號,為降低各個

22、波形之問的相互干擾和彼此獨立地進(jìn)行相關(guān)接收,通常需要設(shè)計多個具有良好正交性能的波形引。就像傳統(tǒng)的雷達(dá)系統(tǒng)一樣,雷達(dá)波形設(shè)計也是決定最終雷達(dá)性能的重要因素。因此,雷達(dá)正交波形設(shè)計是雷達(dá)的重要研究課題。由于正交雷達(dá)波形設(shè)計增加了對波形之間的正交特性的考慮,因而其波形設(shè)計將比常規(guī)雷達(dá)波形設(shè)計更加復(fù)雜和困難。目前研究的主要交波形有正交離散頻率編碼信號、詎交頻分復(fù)用.線性調(diào)頻信號、正交多相編碼信號等等。雷達(dá)已有的證交波形設(shè)計方法通常較復(fù)雜。當(dāng)需求波形數(shù)較多時,設(shè)計結(jié)果的性能較差,尤其是自相關(guān)和互相關(guān)特性。雷達(dá)的證交波形設(shè)計近年來雖然得到了廣泛研究,但是設(shè)計性能尚不足以滿足某些探測需求。因此,尋找新的具有

23、更好特性的正交雷達(dá)波形是非常迫切和必要的。 .綜上所述,雷達(dá)近年來已經(jīng)正在成為雷達(dá)領(lǐng)域研究的熱點和重要課題,多方面性能優(yōu)于常規(guī)雷達(dá),是未來雷達(dá)發(fā)展的一個重要方向,而交信號設(shè)計作為雷達(dá)設(shè)計的重要研究內(nèi)容,尚有許多工作要做。新的信號形式和新雷達(dá)體制下的信號處理必然與傳統(tǒng)雷達(dá)不同,研究與之適應(yīng)的處理方法也是必要的。這些構(gòu)成本文的主要研究內(nèi)容。因此,雷達(dá)的研究雖然已有一些成果,但尚有許多理論和工程問題需要深入研究和探討。雷達(dá),正如一句諺語描述“ ,”.是一個充滿挑戰(zhàn)而又很有前途的研究領(lǐng)域。.論文內(nèi)容表述說明如未特別聲明,本文后面章節(jié)所稱的雷達(dá)均指正交波形雷達(dá)。雷達(dá)具有多個發(fā)射天線,或子陣,或陣元,為描

24、述簡便起見,不失一般性地本文用“陣元或“端表示。雷達(dá)波形實際上也就是不考慮載波頻率時的雷達(dá)發(fā)射信號,在不至于引起混淆的情況下,本文中的雷達(dá)波形和雷達(dá)信號的意義相同。目標(biāo)的徑向運動速度與回波信號的多普勒頻移成正比例關(guān)系。也就是說,如果得到了多普勒頻移,那么目標(biāo)徑向速度就能夠得到:反之亦然。因此表述中在不至于引起混淆的情況下,目標(biāo)多普勒和目標(biāo)徑向運動速度兩個詞不進(jìn)行嚴(yán)格區(qū)分。徑向運動速度有時為描述簡便起見,有時也用速度。第章緒論文中部分專業(yè)名詞有時用全稱,有時根據(jù)需要用其縮寫形式,均是為了表述方便,并無其它不同含義。雷達(dá)的模糊函數(shù)已有一些研究,與傳統(tǒng)模糊函數(shù)的區(qū)別在于,在不同波形上加入空域特征,結(jié)

25、果因發(fā)射天線幾何特征不同而異。因此,除非特別必要,模糊函數(shù)不在本文的研究范圍。本文主要研究一些通用波形設(shè)計的新理論和新方法,并用簡單的圖表描述雷達(dá)波形的性能,特別是自相關(guān)特性和互相關(guān)特性。文中的一些波形設(shè)計和信號處理方法都力求更接近于工程應(yīng)用,比如通常設(shè)計的正交雷達(dá)波形互相關(guān)峰值電平和自相關(guān)峰值旁瓣電平為.到一,在?些實際應(yīng)用中受限。本文盡量使該指標(biāo)達(dá)到.左右或更高,也就.是說與已有的設(shè)計比較,性能顯著提高。文中的自相關(guān)峰值旁瓣電平、平均自相關(guān)旁瓣電平、互相關(guān)峰值電平和平均互相關(guān)電平等除非特別說明都對自相關(guān)峰值進(jìn)行了歸一化處理。分布式雷達(dá)為對抗衰落主要采用非相干信號處理方式,在處理上相對簡單。

26、另外,由于集中式雷達(dá)與數(shù)字陣列雷達(dá)具有一定的兼容性,具有較強的現(xiàn)實工程意義,文中信號處理的研究主要針對集中式雷達(dá)。文中的波形設(shè)計方法沒有采用高計算復(fù)雜度算法,不需要長時間搜索。利用本文提出方法設(shè)計波形的時間通常為幾秒、甚至毫秒量級。本文也并未打算利用這些方法找到最優(yōu)結(jié)果,很多設(shè)計波形的指標(biāo)實際上只需采用提出的方法簡單設(shè)計即可達(dá)到。但是如果采用本文提出的方法再結(jié)合其它優(yōu)化算法,可能獲得更好的結(jié)果,這里不對這些方法進(jìn)行深入研究。值得注意的是,本文內(nèi)容注重于思想、理論和方法上的創(chuàng)新。論文在表述清楚的基礎(chǔ)上并未給出不必要的已有的理論推導(dǎo)或介紹,僅僅對一些創(chuàng)新的理論和方法給予了詳細(xì)推導(dǎo)和分析。.本文結(jié)構(gòu)

27、安排本論文共分七章,具體章節(jié)安排如下:第一章首先簡要介紹了雷達(dá)的發(fā)展及近年來出現(xiàn)的雷達(dá)技術(shù)研究現(xiàn)狀和雷達(dá)分類。特別地,對正交波形雷達(dá)的概念進(jìn)行了介紹,并對現(xiàn)有波形的不足進(jìn)行了簡要分析。指出雷達(dá)波形設(shè)計及對應(yīng)的信號處理方法是雷達(dá)中必須進(jìn)一步深入研究的課題。電子科技人學(xué)博十學(xué)忙論文第二章對雷達(dá)的基本原理,現(xiàn)有波形的優(yōu)缺點,信號處理及其特點進(jìn)行了簡要分析。重點研究了雷達(dá)的衡量指標(biāo),比如譜形狀、自相關(guān)特性、互相關(guān)特性和功率有效性等,這些指標(biāo)將用.柬衡量波形的優(yōu)劣。另外給出了一種.簡化的雷達(dá)信號處理結(jié)構(gòu)。第三章研究了正交多頻信號的通用形式,列舉了幾種可能的波形,指出常規(guī)的.和幣交多相編碼均為其特例。提出

28、了調(diào)幅信號,并應(yīng)用于雷達(dá)中,給出了一種快速的脈沖壓縮方法。針對多頻信號特征,提出了脈沖多普勒模糊分辨技術(shù),多頻多普勒積累手段和高分辨多普勒處理方法。第四章研究正交噪聲信號。噪聲在系統(tǒng)中往往是不受歡迎的,但其具有理想的自相關(guān)和互相關(guān)特性。這樣,利用這些特性可以得到具有良好探測特性的正交信號集。本章提出了優(yōu)化噪聲信號旁瓣性能和峰值因子的方法,給出了設(shè)計示例并進(jìn)行了性能分析。第五章研究正交混沌信號?；煦缧盘栍捎谑浅踔得舾械挠薪绶侵芷诹?由此可以設(shè)計出多個不相關(guān)的波形;并且不易被偵察機截獲。但要得到真正滿足雷達(dá)探測需求的波形,仍需根據(jù)混沌系統(tǒng)的參數(shù)及初值特征精心地設(shè)計,并進(jìn)行信號帶寬設(shè)計以及其它優(yōu)化處

29、理,對這些問題的研究構(gòu)成本章的主要內(nèi)容。第六章研究正交編碼信號。首先介紹了一種稱為的波形,并對該波形的處理方法進(jìn)行了研究,該方法能夠同時完成距離和多普勒測量,基于信號進(jìn)行正交頻分編碼、正交隨機優(yōu)化間隔編碼或正交參差間隔間隔編碼能夠獲得多個正交波形,這些波形能夠提供優(yōu)異的性能,包括自相關(guān)特性和正交特性等。最后一章是全文總結(jié)和展望。第二章雷達(dá)信號設(shè)計及信號模型和處理第二章雷達(dá)波形設(shè)計和信號處理及特點分析.引言雷達(dá)與通信發(fā)射信號存在一個本質(zhì)區(qū)別,那就是通信發(fā)射信號包含了全部所需信息而通常的雷達(dá)發(fā)射信號不攜帶任何目標(biāo)信息。雷達(dá)發(fā)射信號碰到目標(biāo)時,目標(biāo)對發(fā)射信號調(diào)制并反射回去,稱為回波信號,目標(biāo)信息則蘊

30、含在回波中】。雷達(dá)發(fā)射信號中不包含任何目標(biāo)信息,是不是表示雷達(dá)的發(fā)射信號不需要進(jìn)行設(shè)計昵.回顧一下雷達(dá)的基本探測目的:測距、測速和測角,雖然對現(xiàn)代雷達(dá)測量已經(jīng)提出了更多需求。下面僅以距離測量為例,來討論波形設(shè)計的必要性。為了進(jìn)行距離測量,雷達(dá)通常需要脈沖方式或?qū)Σ煌瑫r刻發(fā)射信號能夠區(qū)分的連續(xù)波工作,由信號的延遲直接換算得到。為了探測較遠(yuǎn)距離目標(biāo),則對信號的能量提出了需求。雷達(dá)測距需達(dá)到一定精度,脈沖長度或信號標(biāo)志必須足夠短。這樣為了彌補能量不足,就必須用脈沖壓縮或其它類型信號。這樣,即使是一部簡單功能的雷達(dá)信號的設(shè)計也需要考慮探測的多方面因素,然而各種因素之間可能又是相互制約的。同時,雷達(dá)作為

31、一種工程裝備,其工作效率和可實現(xiàn)性也是不可回避的問題。所以,雷達(dá)波形設(shè)計需要綜合考慮各方面因素,是一項復(fù)雜而又非常具有挑戰(zhàn)性的工作。由此可見,對單發(fā)射機而言,設(shè)計一個有效的雷達(dá)波形并不簡單,甚至有多部專著論述這個問題盯吲。雷達(dá)由于多發(fā)射波形的引入而使得其波形設(shè)計與常規(guī)雷達(dá)波形設(shè)計有很大不同。由于雷達(dá)是一種新體制雷達(dá),工作時需要設(shè)計新的信號形式。其波形設(shè)計除了傳統(tǒng)雷達(dá)波形設(shè)計的要求外,還需要加入一些新的設(shè)計準(zhǔn)則,例如波形之間的互相關(guān)特性,即正交性能。除此之外,本章對正交雷達(dá)信號形式、信號模型及處理進(jìn)行了研究,并對其特點進(jìn)行了簡要分析。電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文.雷達(dá)信號模型、處理及基本特點. 雷達(dá)

32、信號模型雷達(dá)信號模型可分為如下四種形式討論:發(fā)射信號分集、收發(fā)全分集、接收分集和發(fā)射分集。由于第三種和第四種模式除分集在不同的端外,機理幾乎相同。它們均為收發(fā)全分集雷達(dá)的特殊形式,為避免重復(fù)性僅對接收分集作簡要介紹。下面分別介紹前三種雷達(dá)的信號模型。.發(fā)射信號分集雷達(dá)設(shè)發(fā)射接收陣列均為均勻線陣,具有肘個發(fā)射陣元,個接收陣元,存在個遠(yuǎn)場目標(biāo),電磁波建模為平面波,入射到第個目標(biāo)的角度為,到達(dá)接收陣的角度為最,如圖.所示【。圖.發(fā)射信號分集雷達(dá)模型設(shè)第個陣元發(fā)射信號。,信號。,:,?,%之間相互正交。如果發(fā)射載頻為五的信號,則目標(biāo)處的基帶信號可以表示為.,秒,?,. 式中表示第坍個發(fā)射天線到目標(biāo)的時

33、延,?月表示共軛轉(zhuǎn)置,表示每個發(fā)射信號脈沖的采樣數(shù)量,恐?勃,第二章雷達(dá)信號設(shè)計及信號模型和處理.護(hù)咖例伽刪引?膨機四,其中?.表示轉(zhuǎn)置,是目標(biāo)角度秒的函數(shù),為對連續(xù)信號。的采樣在簡化的點目標(biāo)假設(shè)情況下,接收數(shù)據(jù)矢量能夠表示成、,兒?肌明、。觸只胃剛,占硯,?,兒,表示第刀個接收天線接收到的信號,?嘶擴喲?嘶州鯽,屈是與目標(biāo)式中乞目是信號從位于口角的某個目標(biāo)到達(dá)第,個接收天線的時間,雷達(dá)正比的復(fù)數(shù)幅度,皖是目標(biāo)的方位參數(shù),?表示復(fù)共軛。在接收機中可采用對接收信號進(jìn)行加權(quán)波束形成處理,即,鄉(xiāng)占,目,式中汐,秒,%,?,為接收加權(quán)向量。這樣,自適應(yīng)算法比如最大信干噪比準(zhǔn)則,線性約束最小方差準(zhǔn)則等可

34、以直接應(yīng)用于這種雷達(dá)的接收處理中。值得注意的是,圖.所示的發(fā)射信號分集雷達(dá)的發(fā)射陣和接收陣布置到兩個不同的地方。實際上,發(fā)射陣和接收陣可以像普通相控陣?yán)走_(dá)一樣,可以共置一處甚至收發(fā)共用陣列。發(fā)射信號分集方式與傳統(tǒng)的數(shù)字陣列雷達(dá)具有一定的兼容性,更易于工程實現(xiàn)而得到更廣泛的研究。.收發(fā)全分集雷達(dá),。發(fā)收發(fā)全分集雷達(dá),即分布式雷達(dá),模型如圖所示【射天線共有個陣元。肌,?,空間位置坐標(biāo)表示為,.;接收天線共有個陣元%甩,?,空間位置坐標(biāo)表示為.,.;目標(biāo)在空間的分布范圍【%一缸/,/,/。電子科技人學(xué)博十學(xué)伊論文丫丫如/丫嘞丫眨丫 圖.收發(fā)全分集雷達(dá)空間結(jié)構(gòu)模型發(fā)射天線各陣元發(fā)射信號分別為墨,:,?

35、,%,構(gòu)成發(fā)射信號向量為.,:,?,%接收信號向量為.一,:,?,蜘為使整個雷達(dá)系統(tǒng)工作于分布式狀態(tài),即各陣元信號獨立,或信號具有大的角度擴展,要求滿足如下條件之一口%一%,。,。/缸仉一秒。%,秒。,。/緲一%【,秒,?！?缸。,。/緲,式中,是雷達(dá)載波波長,。為目標(biāo)的中心坐標(biāo)位置,【?,?表示兩點的距離。設(shè)空間共有個目標(biāo)或散射單元,第個目標(biāo)相對第聊個天線的方向角為吒。,第個目標(biāo)相對于第一個目標(biāo)的間距為。,第個目標(biāo)的散射系數(shù)為%,則發(fā)射矩陣可表示為第二章雷達(dá)信號設(shè)計及信號模型和處理。:陟肥砼腳如,?。礅”州吲一同理,接收矩陣可表示成與式.類似的形式,這樣,接收信號,其中,是維接收噪聲向量,是

36、信道矩陣,能夠表示為肘。.,?,式中為目標(biāo)散射對角陣, 。對式.接收信號進(jìn)行匹配濾波和后續(xù)處理,能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)檢測和參數(shù)估計。對信道矩陣的估計尤為重要;采用正交發(fā)射信號是一種有效的估計方法。.接收分集雷達(dá)接收分集是收發(fā)全分集模式的特殊情形。接收分集要求接收天線之間滿足空間去相關(guān)特性,即滿足.的前兩個條件之一。設(shè)發(fā)射信號為,接收分集信號模型如圖所示,則接收信號為:,。,其中伐。為第個目標(biāo)的衰落系數(shù)向量,【。小協(xié)?,“】,口表示發(fā)射信號到第七個目標(biāo)再到第,個接收天線的衰落系數(shù),:,?,凡,。接收天線接收天線 接收天線圖接收分集雷達(dá)模型由于不同角度散射目標(biāo)可能呈現(xiàn)劇烈起伏,來自不同角度的接收信號的強度

37、電子科技人學(xué)博十學(xué)位論文由于不同角度散射目標(biāo)可能呈現(xiàn)劇烈起伏,來自不同角度的接收信號的強度可能出現(xiàn)很大的變化。利用接收分集模式,接收信號是多個不同角度散射信號合力影響的結(jié)果。這樣使得對某一目標(biāo)而言,接收信號的強度基本保持恒定。因此,接收分集雷達(dá)有助于對抗目標(biāo)閃爍。在用電視塔發(fā)射信號的探測中在很寬的范圍內(nèi)只有一個電視塔,采用多分布式站接收就是這種模型的一個典型實例。.雷達(dá)信號處理雷達(dá)自適應(yīng)信號處理是學(xué)術(shù)研究的理論熱點課題,但從工程應(yīng)用上講,相對簡化并且能夠快速實現(xiàn)的算法彳是實際所需。從信號模型可知,雷達(dá)的波束形成與傳統(tǒng)的相控陣?yán)走_(dá)不同。雷達(dá)由于在發(fā)射端采用下交波形,在方位處理時,需要進(jìn)行雙程發(fā)射

38、和接收波束形成處理。在雷達(dá)中,常用的方法是采用先接收波束形成,再匹配濾波后進(jìn)行等效發(fā)射波束形成或先匹配濾波再發(fā)射和接收波束形成。以前者為例,其實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖.所示【。事實上,運算結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步簡化,要得到某個方向上的波束,需要對同一個方向進(jìn)行兩次波束形成處理。如果能把兩次波束形成合二為一,則這種運算過程將大大簡化,如圖.所示。了.。,。了。,同時形成個接收波束每個通道分別匹配濾波個信號形成等效發(fā)射波束,距離像圖雷達(dá)接收信號處理流程當(dāng)信號為窄帶時,由角度引起的時延可以近似用一個相移表示。當(dāng)信號為寬第二章雷達(dá)信號設(shè)計及信號模型和處理帶時,接收信號的時延差異就不能簡單地看成相位改變。這時需要采用其它方

39、式實現(xiàn)發(fā)射與接收波束形成處理,比如時延濾波器。對于寬帶信號,另一種可選的方式是將寬帶分為多個窄帶,然后在每一個窄帶上分別采用窄帶的處理方法,最后進(jìn)行頻域合成。?卜信號分離同時形成個波束圖.簡化的雷達(dá)接收信號處理流程由于采用相干的波束形成的處理方式,因此這里的處理方法主要針對集中式雷達(dá)。.雷達(dá)基本特點雷達(dá)在抗截獲性能、速度分辨力、動態(tài)范圍、測角精度等多方面性能均優(yōu)于傳統(tǒng)雷達(dá)【】。由于在雷達(dá)出現(xiàn)之前,傳統(tǒng)的相控陣?yán)走_(dá)被認(rèn)為是最先進(jìn)的雷達(dá)體制。因此,這里在性能方面主要與傳統(tǒng)的相控陣?yán)走_(dá)為參考。下面對雷達(dá)與相控陣?yán)走_(dá)在對等條件下進(jìn)行基本特性的簡要對比分析【。.抗截獲性能設(shè)雷達(dá)陣列有個陣元,每個陣元發(fā)射

40、功率為。根據(jù)電磁輻射的基本原理可知在常規(guī)相控陣?yán)走_(dá)和雷達(dá)距離發(fā)射天線尺處的功率密度分別為.,籌,;石萬,夕洲和舢分別表示常規(guī)相控降雷達(dá)和雷達(dá)的功率密度。它們之比電子科技人學(xué)博十學(xué)位論文曠嘉.因此,在距發(fā)射陣相同距離的空間位置,雷達(dá)的功率密度為相控陣?yán)走_(dá)的/。因此,在偵察接收機靈敏度相同的條件下,截獲雷達(dá)的主瓣信號更困難,或者說雷達(dá)的被截獲距離將更近。.速度分辨力由于雷達(dá)發(fā)射低增益寬波束,因而在相同的距離處有更小的信號功率密度。因此得到相同的檢測信噪比需要更長的積累時間。設(shè)雷達(dá)的波束寬度為相控陣的倍,那么為了達(dá)到與普通相控陣?yán)走_(dá)相同的作用距離,必須進(jìn)行倍的脈沖積累。即信號作用到目標(biāo)上的持續(xù)時間增

41、加倍。根據(jù)經(jīng)典的傅立葉分析理論,增加處理信號長度可以改善頻率分辨,而多普勒頻移又與目標(biāo)徑向運動速度成正比關(guān)系,因此速度分辨,與信號持續(xù),成反比,即二.這樣,速度分辨力就提高了倍,同時也增強了低速動目標(biāo)檢測能力。.動態(tài)范圍相對于相控陣?yán)走_(dá),雷達(dá)由于陣元發(fā)射功率和方向圖增益均降低倍,使接收到的雜波功率降低,對同樣的接收系統(tǒng)參數(shù),可使雷達(dá)系統(tǒng)能接收和檢測到更小的目標(biāo)信號。另外,如果采用數(shù)字波束形成處理,信號相干而噪聲不相干,對于個接收陣元,系統(tǒng)的動態(tài)可進(jìn)一步地提高倍。.測角精度掣研究顯示,相控陣?yán)走_(dá)的測角精度和雷達(dá)的測角精度分別為仃一了麗, .“礦一而麗,/ 二其中是接收天線的帶寬,是信干噪比?？梢?/p>

42、看出,理論上與相控陣?yán)走_(dá)對等的雷達(dá)獲得的角度估計誤差比常規(guī)的相控陣?yán)走_(dá)小倍。第二章雷達(dá)信號設(shè)計及信號模巧幣處理另外,研究還表明雷達(dá)在目標(biāo)檢測能力、參數(shù)可辨識性和利用自適應(yīng)算法等多方面性能優(yōu)于傳統(tǒng)雷達(dá),這卑不再詳細(xì)討論。.雷達(dá)正交波形及設(shè)計準(zhǔn)則. 雷達(dá)正交波形要實現(xiàn)主瓣低截獲概率,雷達(dá)各發(fā)射陣元需要發(fā)射不同信號。為確保接收機能夠獨立地處理各個不同的發(fā)射信號,彼此不受干擾,則要求發(fā)射陣列發(fā)射相互正交的信號】,雖然某些特定探測需求可能使用相關(guān)或部分相關(guān)信號。所謂正交,是指信號之間的互相關(guān)為零。目前已經(jīng)研究的正交信號主要有交點頻脈沖信號、下交多相編碼信號、詎交離散頻率編碼信號、.信號和自適應(yīng)信號等”。

43、下面分別對這幾種常見的波形進(jìn)行簡要概述,討論中假定雷達(dá)有個發(fā)射陣元,第個陣元發(fā)射信號為,?,一。.正交點頻脈沖信號發(fā)射信號。儼,科,一, .其中為一矩形脈沖,表示為心%,比艫式中%表示脈沖寬度。由于%怯如:“則各個陣元所發(fā)射的信號相互正交。信號的總帶寬口;/%,式中為信號個數(shù)即發(fā)射陣元數(shù)。電子科技人學(xué)博十學(xué)位論文這種信號在早期的綜合脈沖孔徑雷達(dá)中有研究,通過脈沖綜合能夠獲得高距離分辨能力。雷達(dá)為獲得一定的探測距離,必須要求大的脈寬,這就意味著每個頻率上的信號帶寬很窄,這樣距離分辨力就很有限。下節(jié)介紹的.信號能夠擴展每個頻率上的帶寬,具有實現(xiàn)距離高分辨的潛力。. .信號每個陣元上發(fā)射以不同頻率為

44、基準(zhǔn)調(diào)制的信號,每個陣元的基準(zhǔn)頻率按問隔丘步進(jìn),如果這些信號之問滿足正交性,則稱為?信號。設(shè)天線第個陣元發(fā)射信號.墨;伽【峨剛,;,?,一為線性調(diào)頻的調(diào)頻率,如圖所示。當(dāng)厶/取一正整數(shù)時,.能夠得到啪毛.。惱:二即當(dāng)肌一萬時,信號%和%在時間,內(nèi)相互正交。/?/氏?.&陣元陣元 陣圖 .信號發(fā)射模式當(dāng)在頻帶無重疊時,信號總帶寬.由于線性調(diào)頻信號的固有特性,其自相關(guān)峰值旁瓣電平僅為.。雖然通過加窗可以降低旁瓣,但是實現(xiàn)低旁瓣時,主瓣展寬,并且信號能量出現(xiàn)較大損失,信噪比降低。第二章雷厶信號設(shè)計及信號模型和處理.正交多相編碼信號多相編碼作為一種脈沖壓縮方式在常規(guī)雷達(dá)中得到廣泛應(yīng)用。通過設(shè)計不同編碼

45、能夠獲得多個下交的多相編碼信號。設(shè)正交多相碼集有個信號,.每個信號包含個子脈沖,/信號集可以表示為?毛口地川,?,刀,.,其中。酈仁歷絮腑,式中是子脈沖寬度,屯表示子脈沖相位。如果采用相編碼,那么九,吾,.吾,.?,似吾。對于一個信號個數(shù)為,子脈沖數(shù)為的相編碼信號集,可以用如下相位矩陣表示氟, 唬, ?,晚兜, 噍, ?,歡 , 九,九,?,九上述矩陣的元素只能從集合,吾,.吾,.,魯選取。一個特定的由個相編碼信號,每個信號包含個子脈沖,構(gòu)成的信號集表示如下軌劬 萬塑至至石,;萬一萬一?:至互萬 石翌石 至 .多相編碼信號設(shè)計通常需要用到高計算復(fù)雜度的人工智能類優(yōu)化算法。已有的研究結(jié)果波形的性

46、能受到一定限制。以個子脈沖,相編碼優(yōu)化設(shè)計的個信號為例,其平均互相關(guān)峰值也僅為.。而且隨著信號個數(shù)的增加,自相關(guān)和互相關(guān)性能將進(jìn)步下降。電子科技人學(xué)博十學(xué)何論文.正交信號利用某一頻段內(nèi)的線性頻率調(diào)制方式能夠得到兩個正交波形,一個詐調(diào)頻信號和一個負(fù)調(diào)頻信號,可以應(yīng)用于兩個陣元發(fā)射的雷達(dá)系統(tǒng)。然而,要實現(xiàn)真正分集積累,通常需要更多的陣元,即需要更多數(shù)量的詎交信號。如果對信號的頻率在時間上進(jìn)行離散化,得到離散頻率信號如圖.所示。研究表明,對離散化的頻率進(jìn)行編碼稱編碼,如圖.所示可以改善波形的旁瓣特性】。如果對這些頻率進(jìn)行不同規(guī)律的編碼,則可以得到不同的信號。通過合理設(shè)計,這些不同信號間的互相關(guān)電平能

47、夠控制在一定的范圍內(nèi)。采用該原理設(shè)計的波形稱為正交信號。交信號與.信號不同的是:下交信號每個發(fā)射陣元均要使用所有頻率;而.信號每個發(fā)射陣元均使用不同的頻率段。瓣囂時間圖.離散化的信號氍爨時間圖離散頻率編碼信號正交離散頻率編碼的設(shè)計與正交多相碼一樣,需要高復(fù)雜度搜索優(yōu)化算法,第二章雷達(dá)信號設(shè)計及信號模型和處理設(shè)計結(jié)果的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性較差。.其它類型正交波形噪聲信號應(yīng)用于多通道的雷達(dá)中已有一些介紹,但他們沒有對噪聲的產(chǎn)生和針對探測的優(yōu)化進(jìn)行深入研究。本文將提出一些優(yōu)化處理方法,使噪聲用于探測的性能比如自相關(guān)特性,峰值因子等顯著提高。準(zhǔn)正交的混沌信號作為一種用于近程探測波形進(jìn)行了一些研究,但

48、混沌系統(tǒng)的特性尚未得到充分開發(fā)。本文將深入丌發(fā)混沌的特性,提出三種設(shè)計模擬混沌信號帶寬和兩種產(chǎn)生正交混沌信號的方法。超寬帶波形在雷達(dá)中的應(yīng)用偶有提及,但由于有效的發(fā)射功率非常有限而較少在工程上使用。除此之外,自適應(yīng)波形也有一些研究。雷達(dá)自適應(yīng)波形設(shè)計方法通常僅限應(yīng)用于對某些特定目標(biāo)的探測或者在初步檢測到目標(biāo)后進(jìn)行更豐富的目標(biāo)信息的獲取。其原理是根據(jù)目標(biāo)的部分或全部特征,采用自適應(yīng)收發(fā)模式,以使雷達(dá)探測性能在某種意義上達(dá)到最優(yōu)化。.正交波形設(shè)計準(zhǔn)則經(jīng)典雷達(dá)文獻(xiàn)提出雷達(dá)性能主要從如下四個方面來衡量【二:、檢測目標(biāo)的可靠性;、目標(biāo)參數(shù)估計的精度;、目標(biāo)參數(shù)估計的無模糊性;、多目標(biāo)分辨能力?？梢钥闯?

49、第、項性能均與波形設(shè)計緊密相關(guān)。雖然作者指出目標(biāo)檢測的可靠性僅與發(fā)射信號能量相關(guān),即與第項無關(guān),但事實上也是與波形設(shè)計和信號處理分不開的。比如說,設(shè)計的信號是否允許相干積累,如果用非相干積累,則使用同樣能量的信號對檢測目標(biāo)的可靠性是不相同的。因此,波形設(shè)計對雷達(dá)性能具有重要影響。隨著電子對抗和反輻射導(dǎo)彈技術(shù)的發(fā)展,雷達(dá)自身生存問題受到了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此,雷達(dá)的抗截獲能力成為現(xiàn)代雷達(dá)最重要的考慮因素之一;波形是必須的。雷達(dá)發(fā)射機峰值功率有限,要充分利用雷達(dá)的發(fā)射潛力,信號必須是有界的,信號峰值與均方值之比應(yīng)該控制在一定范圍內(nèi)。實際雷達(dá)信號設(shè)計必須以滿足或提高雷達(dá)的戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)為目標(biāo)。工程可實現(xiàn)性,比如

50、具體的信號帶寬和信號處理能力等,也可能需要考慮。雷達(dá)和常規(guī)雷達(dá)從信號形式上一個顯著區(qū)別是雷達(dá)需要多個信號波形而常規(guī)的雷達(dá)僅需單個波形。理想情況下通常要求這些波形之間互不影響,電子科技人學(xué)博十學(xué)忙論文但實際中完全的互不影響幾乎不可能。因此,設(shè)計目標(biāo)通常是如何使得信號之間更接近于下交。綜合以上討論,本文中主要從以下幾個方面來考慮雷達(dá)的波形設(shè)計問題:、自相關(guān)特性,主要是自相關(guān)峰值旁瓣電平,主瓣寬度,對于脈沖串信號,最好能夠?qū)崿F(xiàn)自相關(guān)無模糊。、互相關(guān)特性,包括互相關(guān)峰值電平和平均互相關(guān)電平。、峰值因子,或稱峰值與均方根值之比,也即是信號的最大幅度與信號的均方根幅度之比。、能量譜形狀,即信號在頻域的能量分布。、多普勒特性,即目標(biāo)速度分辨特性,與自相關(guān)特性起可以通過雷達(dá)理論中的模糊函數(shù)來表征。雷達(dá)波形的性能可能還有需要信號的數(shù)量、信號帶寬、工程上是否易于產(chǎn)生、加工和復(fù)制等。在必要時部分相關(guān)因素也加以考慮。下面分別對上述的五個主要設(shè)計指標(biāo)及其與雷達(dá)性能的關(guān)系進(jìn)行分析。.自相關(guān)特性雷達(dá)高距離分辨要求信號具有寬的帶寬,強回波中檢測弱目標(biāo)或干擾抑制需要低的信號自相關(guān)旁瓣。