正交波形MIMO雷达信号设计及处理研究(可编辑) .doc
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1、 电子科技大学博士学位论文正交波形MIMO雷达信号设计及处理研究姓名:段军棋申请学位级别:博士专业:信号与信息处理指导教师:何子述20091101摘要摘要多输入多输出雷达概念先后由麻省理工学院林肯实验室、贝尔实验室和新泽西技术研究所等单位提出,近年来得到了广泛研究,成为雷达领域理论和实验研究的热点。?通常雷达的各个发射天线或子阵、或阵元分别发送相互正交的信号,在空间形成低增益宽波束;各个接收天线或子阵,或阵元独立地接收信号然后通过信号处理实现信号的合成和积累,称为正交波形雷达以下简称正交雷达。正交雷达在目标检测性能、角度测量能力、动态范围和主瓣低截获概率特性等方面优于传统雷达。正交雷达的波形直
2、接影响雷达的最终性能,只有具有良好特性的波形才能充分发挥雷达的探测潜力,因此交波形设计成为正交雷达系统的重要研究课题。近年来已有一些对正交雷达波形设计的研究,但现有研究结果在使用中受到不同程度的限制。本文针对正交雷达波形设计及相关的信号处理进行了深入研究,主要工作和贡献如下:、正交多频信号设计及处理。研究了通用的正交多频信号形式,列举了几种可能的类型,指出常规.和正交多相编码均为其特例。提出了针对多频信号的多普勒模糊分辨技术、多普勒积累方法和高分辨多普勒处理算法,并对它们的性能进行了理论或仿真分析。引入多载波相位编码信号及其调幅形式到雷达中,并给出了一种快速的脉压方法。、正交噪声信号设计。提出
3、了改善雷达探测性能的噪声信号产生和优化方法。特别地,引入了谱成形技术优化旁瓣和提出了一种控制信号峰值因子的非线性映射,通过调节映射函数的参数能够得到不同的峰值因子。同时又借助于噪声信号本质上具有的良好互相关特性,设计结果的相关性能较现有的雷达信号如正交离散频率编码信号、正交多相编码信号等得到显著提高。、正交混沌信号设计。研究了混沌系统参数和初值与雷达探测性能的关系。给出了系统参数优化准则和初值选择的方法,改变模拟信号带宽的两种方法并对滤波处理进行了研究。在具体设计时,首先选择适合雷达基本探测要求的混沌系统及其参数产生信号胚,根据探测要求设计信号带宽,然后通过信号处理优化方摘 要法,产生适合正交
4、雷达探测的信号集。、步进时问间隔脉冲串波形设计及其信号处理。提出了一种特殊的时间编码信号及其对应的信号处理算法。给出了相干处理和双极性非相干处理两种实现结构。相干利用可实现快速处理,能够同时无模糊地进行目标距离和多普勒测量:双极性非相干处理运算简单,能够用于不需要多普勒信息、常规非相干雷达或简易雷达系统中。、基于信号的正交编码波形设计。提出了三种下交编码方法,即讵交频分编码、正交参差间隔编码和正交随机间隔编码。针对参差间隔编码方法,给出了设计的基本原则并提供了一个设计示例,能够得到理想的距离旁瓣特性。针对正交随机间隔编码模式,提供了一个仿真实验,结果表明通过该方法能够设计较大数量具有优良特性的
5、正交波形,自相关峰值旁瓣电平和互相关峰值电平优于.。上面研究的正交雷达波形设计及其相关的信号处理方法可直接或经过少量修改应用于双基地、多基地雷达系统中。部分波形的单信号版本,如优化的噪声信号、混沌信号和信号等,可作为常规雷达的信号,以改进现有雷达的探测性能。关键词:雷达,多基地雷达,正交波形设计,低截获概率信号,下交多频信号? ?, . ., ;. ., ., ., . ,., ,., . . .? ., ?. . , ? ? ,. . . .,.,.,. . . ?.,. . .。 .; ,.: , , ?通峭符号说明通用符号说明本文中大写黑体下体表示矩阵,小写黑体体表示向量复共轭转置埃米特
6、转置?月转置运算? 复共轭运算矩阵求逆运算?以均值运算方差运算以为底的指数函数以为底的对数,。?峰值因子算符?雷达模糊函数?,?冲激函数或称函数雷达载波频率多普勒频移厶雷达载波波长,目标径向运动速度阵元间距光速,/石圆周率压独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名:二罄翠挺,.日期;加刀年/月弓矿日论文使用授权本
7、学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后应遵守此规定签名:觋导师日期第章绪论第一章 绪论.引言对电磁波空间传播特性的物理实验研究已有个多世纪的历史。早在年,德国物理学家用一个实验系统进行的实验表明无线电波与光具有相同的特征,可从物体反射和折射,验证了电磁信号的基本特性,证实了的电磁场理论卅。虽然没有进行实际应用研究,但是却为无线电探测奠定了基础。于年
8、丌发了一个用于导航的发射接收无线电系统,并申请了专利,。虽然这种系统当时并不称之为雷达,但该装置原理上与现代的雷达相似,是雷达的雏形。在第一次世界大战和第二次世界大战之间,也就是世纪年代,由于军用轰炸机的出现,雷达几乎同时而又基本独立地在多个国家如美国、英国、德国、苏联、法国、意大利、只本和荷兰被重新发现和研制出来。早期雷达的主要任务是测量目标方位、距离和速度。方位通过天线机械转动提供波束扫描来进行估计;距离通过测量发射脉冲与回波之间的延迟计算得到;速度通过电磁波的多普勒效应来获取。天线机械转动存在很大惯性,且机械转动速度非常有限,不能同时完成多任务,比如边扫描边跟踪、多目标跟踪等【每。五十年
9、代末,飞机的大量应用和洲际导弹的出现,传统机械扫描雷达很难满足对复杂空间的监控需求。六十年代初出现的相控阵技术,天线波束由计算机控制,天线照射方向由原来的机械旋转演变到电子扫描,天线照射方向的改变几乎无惯性,借助时分复用技术在完成空间扫描的同时实现多目标跟踪。相控阵雷达较好地满足了雷达的多任务和快速跟踪的需求。传统的相控阵雷达要对弱目标进行探测,则需要大功率孔径积的发射,从而信号容易被电子情报系统截获。虽然低截获概率信号的应用从一定程度上降低了被截获的可能性,但尚无法满足日益增加的对信号低截获性能的要求。从强杂波背景中检测弱目标的能力给雷达的动态范围提出了更高的要求,目前可实现的高速模数转换器
10、位数非常有限,使得需要的动态范围无法实现。另一方面,在某些情况下慢速运动目标检测成为雷达的一个重要任务,根据经典的信号理论,处理的信号长度越长意味着更高的速度分辨力,因此需要长持电子科技人学博学伊论文续信号或者脉冲串信号而不是短时照射脉冲信号。综上所述,传统雷达和标准相控阵雷达都很难完全满足现代雷达探测需求】。更多的关于中外雷达发展历史与现状的介绍可参见有关的雷达综述文章正如博士在年出版的“ .”中,译本雷达系统导论,第三版,年出版前言中所述,一些重要的雷达课题已经成熟,并且近年来没有太大进展。另一方面值得注意的是,现代雷达探测对性能的要求是无止境的,特别是性能、角度测量能力、距离测量精度和多
11、普勒测量等等。在某些情况下,基于传统雷达体制设计的系统需要太多的折衷,甚至在很大程度上设计性能离期望值相去甚远。.雷达研究动态技术在移动通信中得到广泛研究。如果将移动通信系统的传输信道看成一个系统,则发射信号可看成移动信道系统的输入信号,而接收信号可看成移动信道的输出信号。从世纪年代中期以来,实验室等先后提出在无线通信系统中的基站和移动端均采用多天线方案。对移动信道这样一个系统而言,有多个信号输入和多个信号输出,这种多发多收的通信模式称为通信。由于通信系统可获得空间分集增益,能显著地提高移动通信系统在衰落信道条件下的信道容量。特别是对大角度扩展信道,其性能改善尤为明显。理论分析表明,信道容量与
12、收发两端天线阵元数有直接关系孙矧。在某些情况下,可能使用单输入多输出和多输入单输出配置,作为系统的特殊形式。.提出泛探雷达概念。雷达界一直期望寻求新的体制以改进雷达探测性能,降低雷达信号被截获概率。由此,提出对空中监控雷达的改进措施,在双波段空域覆盖的基础上,引入泛探雷达概念,也就是“随时探测各处。雷达发射宽波束以覆盖所有感兴趣区域,通过长时间信号积累实现远距离目标或快速的近距离弹出式目标探测瞄瑚。法国国家航天局较早提出了综合脉冲孔径雷达概念。当时的目的是为了解决雷达探测隐身目标问题和提高雷达抗反辐射导弹的能力。由于大量隐身飞行器使用的隐身材料都是针对厘米波段雷达而设计,因此通常隐身对米波雷达
13、无效,故米波雷达可探测到隐身目标。但米波雷达由于信号波长较长,如果第一章绪论要获得足够高的角度分辨率,就要求米波雷达天线应有大的径尺寸。为了在天线阵元数和口径尺寸问获得折衷选择,采用大阵元间距的随机稀布阵。为了提高雷达抗反辐射导弹的能力,雷达采用将发射天线和接收天线分丌放置的布阵方式;为了使认雷达具有全向探测能力,采用大口径稀布圆环阵列形式。西安电子科技大学等从上世纪年代中期丌始对雷达进行了卓有成效的研究。雷达采用稀布阵,各阵元的发射波形相互正交,具有雷达的一些特征,已经进行了部分演示验证,被认为是现代雷达的雏形【。受技术成功应用于通信和雷达技术的启发,引入数字波束形成技术和泛探概念,多输入多
14、输出雷达概念应运而生。雷达技术.,引用通信骝中的部分概念和方法,综合现代数字阵列波束形成技术钧】和空域泛探监控雷达原理,是雷达技术领域的最新进展,能够部分解决现有雷达存在的问题。雷达可以简单地定义为具有多个发射或接收天线或子阵、或阵元、或简称端。下面的讨论将用其中一词,但对其它类型也适用,对接收信号进行联合处理的一种雷达。雷达按照天线的布置主要分为两种类型:集中式雷达【 和分布式雷达引。;按波形形式,可分为正交波形雷达和非正交波形可能是部分相关或完全相关波形雷达。需要注意的是集中式雷达可以是正交波形雷达,也可以是非正交波形雷达。同样地,分布式雷达可以是正交或非正交波形雷达。反之亦然。正交波形雷
15、达简称正交雷达任意两个发射阵元之间的信号是相互正交的。除非特别声明,本文介绍的雷达,无论集中式还是分布式雷达,均指正交雷达。虽然大多数雷达发射正交波形,但非正交波形的雷达也有一些研究,比如部分相关信号雷达,但本文的研究仅限于正交波形雷达。年,美国麻省理工林肯实验室为解决水面弱目标探测问题,研制了一个阵元的数字阵列泛探雷达,研究表明动态范围与阵列阵元数有直接关系,信号的被截获概率显著降低。年底,等对阵元泛探雷达的性能进行了深入分析并研究了新型雷达的时间能量管理问题【列。他们研究的这种雷达发射天线阵元和接收天线阵元以较小的空间间隔排列在一起,阵元的间距小于或等于半波长。常规的数字阵雷达通过一定的改
16、进主要是波形的更替和信号处理方法的修改就能够实现这种工作模式,与现有数字阵列雷达具电子科技大学博士学位论文有一定的兼容性。由于天线阵元以不大于半波长集中排列,因此称集中式雷达。大量文献【铷对集中式雷达技术进行了研究。和】等证明了集中式雷达能够提供更高的分辨,等显示了在检测慢速运动目标时能够提供更高的灵敏度,和,和”】研究表明了雷达具有更好的参数辨识能力,和】,等【】直接引入自适应阵列处理技术于集中式雷达中。年月和对他们近年来对集中式雷达研究的部分成果进行了概述,表明集中式雷达在参数可辨识性,设计波束的灵活性,干扰抑制性能等方面优于常规相控阵雷达,而且很多自适应阵列信号处理技术能够直接应用于该类
17、系统【。图.和图.分别给出了传统相控阵雷达和集中式雷达的基本信号原理【。目标图.相控阵雷达信号原理图.集中式雷达信号原理第一章绪论图是林肯实验室的波段集中式实验雷达阵列旧,他们对宽波柬发射时即工作于状态下的相位噪声特性、杂波抑制能力、测角精度、性能和时间能量管理问题等进行了深入研究.证明了工作模式相对于传统相控阵模式具有很多优越性。集中式雷达发射信号互不相关。但接收端对某一目标而言空间信号是相关的,一般采用空间相干接收,所以叉称为发射信号分集雷达。图林旨实验空的波段集中式实验雷达阵列年,等提出了分布式雷达的概念,由于采用统计方式处理又称为统计雷达口”。他们把目标雷达截面积建模成一个随机过程,利
18、用空间分集的统计处理方式来进行目标探测。一些文献对这种雷达进行了进一步深入的理论研究【鲺站蚺】。分布式雷达利用多个空间分置的发射机和接收机或宽分布的发射接收阵元,与通信从概念上紧密相关。常规雷达探测中的目标随目标角度变化呈现较大起伏或称目标闪烁。如图.所示旧,给可靠探测带来很大困难。然而这种目标闪烁特性与移动通信中的信道衰落相似,分布式雷达就是利用这种闪烁特性来改善对目标参数的测量。分布式雷达具有很多优良特性。相干处理能够实现对目标定位的高分辨特性。使用非相干的处理,在目标捡铡和参数比如到达角和多普勒估计中也能获得较大的分集增益,图给出了国外的一个分布式雷达阵列旧。电子科技大学博士学位论文图
19、波段实验用分布式雷达阵列分布式雷达又称为收发全分集雷达的基本原理如图?所示。收发全分集要求天线接收阵元间距,和发射阵元间距,与目标尺寸和距离尺满足信号的去相关条件,以实现完全的空间分集增益。正如中国北宋时期诗人苏轼的一首诗中所描述“横看成岭侧成峰,远近高低各不同”的道理,分布式雷达同时通过多个不同的角度探测目标,使得目标检测更稳定。一个分布式雷达的特例是发射相关信号,仅在接收端采用多个分布式通道以实现空间去相关。这种配置称为接收分集即模式雷达。接收分集雷达的接收信号经台成后信噪比接近常数,对抗目标起伏有一定的作用。与此相对的是多十发射端和一个接收端配置的发射分集即第章绪论模式雷达,是分布式雷达
20、的另一个特例。这种模式在波形设计方面与传统雷达并无多大差异。传统雷达虽然也有少量文章称之为雷达州】,这里为区别工作模式起见,仍称雷达。是 弘 丫巾图分布式雷达原理值得一提的是,分布式雷达虽然也是多基地雷达的一种形式,但与传统的多基地雷达在概念和处理模式上有很大不刚。”】。近几年,国内电子科技大学、西安电子科技大学、清华大学和南京理工大学等单位对雷达包含峨的波形设计和综合,目标检测和定位等方面也进行了一些研究。由于相控阵雷达被认为是目前工程应用中较先进的雷达体制,多方面性能指标均优于其它类型常规雷达,因此本文主要以传统的相控阵雷达作为参考进行比较阐述。已有的研究表明雷达多方面性能显著优于经典的相
21、控阵雷达【.】。比如每个发射机发射不同的信号,空间不会形成高功率密度的窄波束,通过波形的合理设计可以实现主瓣超低截获概率性能矧。由于通过长时间照射和多仑接收端同时处理,雷达的动态范围和多普勒分辨能力显著提高。更重要的是,雷达具有同时执行多任务能力,而传统的相控阵雷达某时间段内只能完成一个功能,通过分时的方式顺序地执行多功能。另外,雷达在角度测量、参数可辨识性、目标检测等方面也明显优于传统的相控阵雷达,.】雷达能够获得目标更丰富的信息,其出现给雷达界带来了新的发展机遇,随着进一步深入研究,可能发掘其更多优越特性,具有重要的研究价值。电子科技人学事十学:论文雷达在每个阵元发射不同的信号,为降低各个
22、波形之问的相互干扰和彼此独立地进行相关接收,通常需要设计多个具有良好正交性能的波形引。就像传统的雷达系统一样,雷达波形设计也是决定最终雷达性能的重要因素。因此,雷达正交波形设计是雷达的重要研究课题。由于正交雷达波形设计增加了对波形之间的正交特性的考虑,因而其波形设计将比常规雷达波形设计更加复杂和困难。目前研究的主要交波形有正交离散频率编码信号、讵交频分复用.线性调频信号、正交多相编码信号等等。雷达已有的证交波形设计方法通常较复杂。当需求波形数较多时,设计结果的性能较差,尤其是自相关和互相关特性。雷达的证交波形设计近年来虽然得到了广泛研究,但是设计性能尚不足以满足某些探测需求。因此,寻找新的具有
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