认知MIMO雷达波形设计研究

认知多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)雷达将认知技术与MIMO技术相结合,具备动态环境信息感知和自适应调节能力,受到雷达界的广泛关注。相比于传统雷达,认知MIMO雷达性能更优、适应性更强,是雷达迈向智能化发展的趋势,而发射波形的优化设计是实现雷达认知的关键,因而成为近年来学者研究的重点。首先介绍了认知MIMO雷达基本概念,分析了波形设计现状,然后在波形设计步骤的基础上,重点从优化准则和优化方法两方面总结了现有研究成果及特点,最后讨论了未来研究方向和需要解决的问题。     

功率约束条件下的MIMO雷达波形设计

为解决MIMO雷达由于功率分配而导致的探测性能下降问题,从目标脉冲响应和雷达反射波形入手,采用脉冲响应均方误差最小化和脉冲响应与反射波形互信息最大化两种方式提高目标的检测性能;将雷达发射功率限制划分为总功率限制、恒功率限制以及峰值和总功率限制三种情况,并分别应用p范约束建立约束方程采用拉格朗日乘子法和KKT条件求出约束条件下的最优解;最后,通过仿真验证了新设计波形的探测性能。测试结果表明:新设计波形可依据目标功率谱密度值(PSD)主动调控功率分配,提高了探测性能。     

混沌序列的MIMO雷达正交波形集设计

波形分集是多输入多输出(MIMO)雷达的主要特征之一,设计性能良好正交波形集是实现MIMO雷达的关键技术。介绍了噪声MIMO雷达的基本原理,分析了利用混沌序列设计正交波形的可行性,提出了基于混沌序列的MIMO雷达正交波形集设计方法,给出了基于两种典型混沌序列设计二相编码正交波形的设计结果,分析了波形集相关性能,计算机仿真表明,该方法在算法效率和波形多样性方面优于传统的遗传算法。     

SNR准则下的认知MIMO雷达波形设计

研究了MIMO雷达信号模型下基于最大化信噪比(SNR)准则的最优和稳健波形设计问题.根据对目标冲击响应功率谱密度(PSD)确定和不确定两种条件的分析,推导了最优波形和稳健波形的闭式表达式.仿真结果表明,当目标冲激响应PSD的先验知识准确时,使用最优波形作为发射波形,在接收端获得在给定条件下最优的SNR;当目标冲击响应PSD的先验知识不准确时,使用稳健波形作为发射波形,能够降低目标冲激响应PSD的不确定性对输出端信噪比(SNR)的负面影响.     

双基地MIMO雷达多目标的时延估计方法

现有的双基地MIMO雷达目标角度和多普勒频率估计算法都要求已知目标的时延,然而实际中时延往往未知。对此该文提出了一种双基地MIMO雷达多目标的时延估计方法,可在角度和多普勒频率估计之前对目标的时延做出估计,从而为现有的角度和多普勒频率估计算法提供前提条件。方法将接收信号按周期切段,对各段信号进行滤波获得输出矩阵,时延的估计可通过对各矩阵F范数之和进行峰值搜索而获得。理论上论证了方法的可行性,并通过仿真实验进行了验证。     

稳健的双基地MIMO雷达目标角度跟踪算法

针对双基地多输入多输出(MIMO)雷达变速目标角度跟踪问题,提出了基于变遗忘因子的跟踪算法。首先研究了遗忘因子对算法的收敛速率和跟踪性能的影响;其次借鉴变步长最小均方(LMS)算法的思路,提出遗忘因子的递推公式;最后将遗忘因子递推公式引入PASTd算法中,实现变速目标的收发角度跟踪。实验表明:算法的收敛速度和性能都有较大的提高,稳定性得到了增强。     

非确知先验信息条件下MIMO雷达波形设计

考虑了目标先验知识未确知条件下,提升基于多输入多输出正交频分复用(MIMO-OFDM)雷达的空时自适应处理(STAP)最差条件下检测概率的稳健波形设计问题。在发射波形恒模特性及目标参数不确定凸集约束下,基于最大化输出信干噪比(SINR)准则,构建了提高最差条件下MIMO-OFDM-STAP检测性能的极大极小波形优化问题。为求解所得NP-hard问题,先将发射波形恒模特性松弛为低峰均比约束,而后利用对角加载(DL)将其重构为可有效求解的半定规划(SDP)问题。与传统非相关信号和主流非稳健算法相比,数值仿真验证了该算法可显著提升MIMO雷达目标检测的稳健性。     

依赖信号噪声场景下MIMO雷达稳健波形设计

考虑依赖信号噪声场景下MIMO雷达的稳健波形优化问题。根据最小最大方法,基于克拉美-罗界描述了改善MIMO雷达最差情况参数估计性能的稳健波形优化问题。为求解所得NP问题,提出一种新的基于对角加载(DL)的迭代方法。此方法利用哈达玛不等式将内层优化分解为若干子问题,以降低运算复杂度从而利于工程应用,基于DL方法将子问题转化为凸问题,外层优化也可转化为凸问题,因而可获得高效求解从而便于硬件实现。初始问题最优解可通过对迭代算法得到的解进行最小二乘拟合得到。数值仿真验证了所提方法的有效性。     

改进型PASTd双基地MIMO雷达相干目标角度跟踪算法

针对双基地MIMO雷达相干目标运动时角度跟踪问题,提出了一种基于数据平滑的快速跟踪算法。首先借鉴空间平滑的思想,采用数据平滑重构得到满秩的数据,去除相干信号造成的影响。对PASTd算法进行改进,提出适合平滑后数据的PASTd算法,通过改进的PASTd算法,能够更快地得到目标特征向量,并对其进行正交化得到信号子空间,最后结合ESPRIT算法得到收发角度,并实现自动配对,完成运动目标的角度跟踪。仿真结果验证算法的有效性。     

一种频率-相位混合编码的MIMO雷达波形设计

针对MIMO雷达中常规单载频子脉冲相位编码信号的频带较窄、距离分辨率不高,以及线性调频-相位编码信号模糊函数有“栅瓣”的问题,提出了一种基于置换矩阵时频分布的线性调频-相位编码（perm-LFM-PC,PLP）混合波形的正交波形集设计方法。由于置换矩阵时频分布调制方法引入置换序列调频编码,使得PLP波形的峰值旁瓣（ASP）和互相关峰值（CP）有所升高。为此,以ASP和CP的总和为代价函数,建立PLP波形集优化模型,并提出一种多种群优化遗传算法(MSO-GA),对调频编码序列和相位编码序列进行联合优化。仿真结果表明,PLP波形具有易于实现宽频带的优点和图钉状模糊函数,经过算法优化后的PLP波形集的ASP和CP较低,适用于MIMO雷达系统。     

冲击噪声环境下双基地MIMO雷达多目标角度估计

提出了冲击噪声环境下双基地MIMO雷达多目标角度估计方法。基于传统的双基地MIMO雷达模型,推导了冲击噪声环境下双基地MIMO雷达模型,再将其转化为稀疏重构的问题,推导了冲击噪声环境下基于稀疏表示的双基地MIMO雷达模型,最后运用稀疏度自适应匹配追踪(Sparsity Adaptive Matching Pursuit,SAMP)算法求解模型。算法的优点有:不需要信号源个数作为先验信息,只需单快拍即可实现信号重构,能处理相干信号源,无需参数配对。仿真结果验证了算法的有效性。     

目标方位不确定时MIMO雷达鲁棒STAP波形设计

集中式MIMO雷达支持不同阵元发射正交或非正交波形,实现波束在空间能量分布设计,从而获得良好的检测和杂波抑制性能.当存在相干干扰时,通常采用最大化最差角度的信杂噪比来设计波形;当目标角度不确定时,该问题呈现非凸属性,导致难以获得最优解.利用非负三角多项式的半正定表示引理,将上述问题转化为半正定凸优化问题求解,并针对算法...     

基于四阶累积量的双基地MIMO雷达收发角度估计

提出了一种基于四阶累积量的双基地MIMO雷达收发角度估计算法。在接收端,通过分别构造单阵元和双阵元的四阶累积量矩阵,采用基于四阶累积量的MUSIC算法和ESPRIT算法分别估计出目标的离开方向(DOD)和波达方向(DOA),并且DOD和DOA自动配对。该算法将二维参数的估计问题转化为两个一维形式,不需要二维谱峰搜索,在保证二维方位角估计性能的基础上,降低了运算量。利用四阶累积量有效地扩展了阵列孔径,并且适用于任意加性高斯噪声环境。仿真结果验证了算法的有效性。     

干扰条件下基于空频域二次优化的MIMO雷达波形设计方法

针对干扰条件下多输入多输出雷达发射方向图优化问题,提出一种基于空频域二次优化的多输入多输出雷达波形设计方法。该方法将空域上方向图优化问题转化为关于空时发射序列协方差矩阵的优化问题,利用多输入多输出雷达发射方向图仅与阵元之间波形相关性有关的特性,进一步降低空域波形设计复杂度,并通过p阶导数约束展宽零陷;针对优化得到的协方差矩阵,利用随机向量法通过最小二乘准则逼近最优发射方向图来合成具体恒包络波形;在基于空域优化得到的发射波形基础上,根据改变不同时刻信号序列的初始相位雷达发射方向图不变的特性,通过拟功率方法优化相位变化矩阵,实现雷达波形在频域上的二次优化以抑制频域上的干扰。仿真实验证明了所提方法在方向图匹配和干扰抑制方面的有效性。     

雷达通信一体化波形设计综述

雷达通信一体化通过硬件资源共享与信号波形协同设计,突破传统分立架构下的频谱冲突、硬件冗余和电磁兼容性瓶颈,提升平台的综合作战效能与战场生存能力。系统回顾了雷达通信一体化技术从概念萌芽、架构演进到系统实现的发展历程,重点分析了基于线性调频、正交频分复用、正交时频空等主流信号体制的雷达通信一体化波形设计方法;深入探讨了以感知性能为中心的多种波形设计准则,包括方向图匹配、克拉美罗界优化及信息论方法等;梳理了从软件无线电兼容验证、机载多模态波形融合,到多节点与多域协同的工程实践之路,清晰展现了雷达通信一体化技术从理论到实践的演进路径。通过全面展示雷达通信一体化系统从常规体制到多输入多输出体制,再到原理样机验证的完整技术脉络,为未来雷达通信一体化技术的研究与开发提供系统的理论指导和实践参考。     

TDS-OFDM雷达通信共享信号波形设计

在使用正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)信号的雷达通信一体化系统中,循环前缀(Cyclic Prefix, CP)和导频的存在,使得共享信号在自相关运算中出现较高的副瓣电平,严重影响雷达检测性能。针对这个问题,提出一种新的基于时域同步OFDM(Time Domain Synchronization OFDM, TDS-OFDM)的共享信号形式,该信号利用训练序列填充保护间隔,同时完成同步与信道估计,从而避免了CP副瓣和导频副瓣的出现。首先分析TDS-OFDM共享信号的模糊函数,然后通过训练序列的优化设计,有效降低TDS-OFDM信号的距离峰值副瓣,同时保持训练序列自身良好的自相关性能。理论分析与仿真表明,相对于CP-OFDM,TDS-OFDM共享信号更加适用于雷达通信一体化系统。     

基于MIMO雷达的对空防御火控系统设计

随着反舰导弹采用各种高新技术,特别在降高、增速、隐身、电子对抗等方面不断强化突防能力,立足于现有舰艇对空防御火控系统架构,以提高目前各武器系统精确、协同作战能力为目标,提出了新型对空防御火控系统体系结构,通过母舰搭载雷达发射阵列与无人艇搭载雷达接收阵列组成双基地MIMO雷达系统,利用舰载高性能服务器集中处理无人艇回传的...     

基于单基地嵌套MIMO雷达的联合角度和多普勒频率参数估计

为了提升单基地MIMO雷达中角度和多普勒频率的二维参数估计性能,通过在单基地MIMO雷达的接收端和发射端进行嵌套阵列设计来实现阵列自由度的提升.通过利用隐含在目标结构中的时延特性来实现对多普勒频率旋转不变关系的构建.通过构建三阶张量模型来实现对阵列接收数据空时特性的充分利用.最后,通过利用三线性迭代最小二乘平行因子算法...     

机载双基地协同探测雷达杂波模型分析

在机载双基地协同探测雷达中,由于载机的阵位部署和平台运动,双基条件下的杂波特性比单基条件下的更复杂。本文分析了机载双基地雷达杂波空时分布特性,在传统机载雷达杂波模型的基础上,针对机载双基地雷达几何关系,考虑了双基地分置时接收波束和发射波束的相对关系等因素,给出更精确的机载双基地雷达杂波模型。对双机多种部署和姿态情况下的杂波空时分布特性和空时二维杂波谱进行了仿真,为机载双基地协同探测雷达杂波抑制的研究提供了技术支撑。     

MIMO雷达的MUSIC算法应用

不需要额外的去相干处理,MIMO雷达可直接对相干信号源利用MUSIC算法测向。研究MIMO雷达应用MUSIC算法的成功概率问题,给出了接收子阵均匀配置和非均匀配置情况下MUSIC算法成功率的解析表达式。数值仿真表明:高信噪比条件下,MIMO雷达的MUSIC算法成功率优于多输入单输出和相控阵雷达;子阵均匀配置MIMO雷达的MUSIC算法成功率优于非均匀配置,且当子阵均匀配置时,子阵数目越多,MUSIC算法成功率越高,当子阵非均匀配置时,各阵元数均匀程度越好,其应用MUSIC算法的成功概率越高。