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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
23、更好特性的正交雷达波形是非常迫切和必要的。 .综上所述,雷达近年来已经正在成为雷达领域研究的热点和重要课题,多方面性能优于常规雷达,是未来雷达发展的一个重要方向,而交信号设计作为雷达设计的重要研究内容,尚有许多工作要做。新的信号形式和新雷达体制下的信号处理必然与传统雷达不同,研究与之适应的处理方法也是必要的。这些构成本文的主要研究内容。因此,雷达的研究虽然已有一些成果,但尚有许多理论和工程问题需要深入研究和探讨。雷达,正如一句谚语描述“ ,”.是一个充满挑战而又很有前途的研究领域。.论文内容表述说明如未特别声明,本文后面章节所称的雷达均指正交波形雷达。雷达具有多个发射天线,或子阵,或阵元,为描
24、述简便起见,不失一般性地本文用“阵元或“端表示。雷达波形实际上也就是不考虑载波频率时的雷达发射信号,在不至于引起混淆的情况下,本文中的雷达波形和雷达信号的意义相同。目标的径向运动速度与回波信号的多普勒频移成正比例关系。也就是说,如果得到了多普勒频移,那么目标径向速度就能够得到:反之亦然。因此表述中在不至于引起混淆的情况下,目标多普勒和目标径向运动速度两个词不进行严格区分。径向运动速度有时为描述简便起见,有时也用速度。第章绪论文中部分专业名词有时用全称,有时根据需要用其缩写形式,均是为了表述方便,并无其它不同含义。雷达的模糊函数已有一些研究,与传统模糊函数的区别在于,在不同波形上加入空域特征,结
25、果因发射天线几何特征不同而异。因此,除非特别必要,模糊函数不在本文的研究范围。本文主要研究一些通用波形设计的新理论和新方法,并用简单的图表描述雷达波形的性能,特别是自相关特性和互相关特性。文中的一些波形设计和信号处理方法都力求更接近于工程应用,比如通常设计的正交雷达波形互相关峰值电平和自相关峰值旁瓣电平为.到一,在?些实际应用中受限。本文尽量使该指标达到.左右或更高,也就.是说与已有的设计比较,性能显著提高。文中的自相关峰值旁瓣电平、平均自相关旁瓣电平、互相关峰值电平和平均互相关电平等除非特别说明都对自相关峰值进行了归一化处理。分布式雷达为对抗衰落主要采用非相干信号处理方式,在处理上相对简单。
26、另外,由于集中式雷达与数字阵列雷达具有一定的兼容性,具有较强的现实工程意义,文中信号处理的研究主要针对集中式雷达。文中的波形设计方法没有采用高计算复杂度算法,不需要长时间搜索。利用本文提出方法设计波形的时间通常为几秒、甚至毫秒量级。本文也并未打算利用这些方法找到最优结果,很多设计波形的指标实际上只需采用提出的方法简单设计即可达到。但是如果采用本文提出的方法再结合其它优化算法,可能获得更好的结果,这里不对这些方法进行深入研究。值得注意的是,本文内容注重于思想、理论和方法上的创新。论文在表述清楚的基础上并未给出不必要的已有的理论推导或介绍,仅仅对一些创新的理论和方法给予了详细推导和分析。.本文结构
27、安排本论文共分七章,具体章节安排如下:第一章首先简要介绍了雷达的发展及近年来出现的雷达技术研究现状和雷达分类。特别地,对正交波形雷达的概念进行了介绍,并对现有波形的不足进行了简要分析。指出雷达波形设计及对应的信号处理方法是雷达中必须进一步深入研究的课题。电子科技人学博十学忙论文第二章对雷达的基本原理,现有波形的优缺点,信号处理及其特点进行了简要分析。重点研究了雷达的衡量指标,比如谱形状、自相关特性、互相关特性和功率有效性等,这些指标将用.柬衡量波形的优劣。另外给出了一种.简化的雷达信号处理结构。第三章研究了正交多频信号的通用形式,列举了几种可能的波形,指出常规的.和币交多相编码均为其特例。提出
28、了调幅信号,并应用于雷达中,给出了一种快速的脉冲压缩方法。针对多频信号特征,提出了脉冲多普勒模糊分辨技术,多频多普勒积累手段和高分辨多普勒处理方法。第四章研究正交噪声信号。噪声在系统中往往是不受欢迎的,但其具有理想的自相关和互相关特性。这样,利用这些特性可以得到具有良好探测特性的正交信号集。本章提出了优化噪声信号旁瓣性能和峰值因子的方法,给出了设计示例并进行了性能分析。第五章研究正交混沌信号。混沌信号由于是初值敏感的有界非周期流,由此可以设计出多个不相关的波形;并且不易被侦察机截获。但要得到真正满足雷达探测需求的波形,仍需根据混沌系统的参数及初值特征精心地设计,并进行信号带宽设计以及其它优化处
29、理,对这些问题的研究构成本章的主要内容。第六章研究正交编码信号。首先介绍了一种称为的波形,并对该波形的处理方法进行了研究,该方法能够同时完成距离和多普勒测量,基于信号进行正交频分编码、正交随机优化间隔编码或正交参差间隔间隔编码能够获得多个正交波形,这些波形能够提供优异的性能,包括自相关特性和正交特性等。最后一章是全文总结和展望。第二章雷达信号设计及信号模型和处理第二章雷达波形设计和信号处理及特点分析.引言雷达与通信发射信号存在一个本质区别,那就是通信发射信号包含了全部所需信息而通常的雷达发射信号不携带任何目标信息。雷达发射信号碰到目标时,目标对发射信号调制并反射回去,称为回波信号,目标信息则蕴
30、含在回波中】。雷达发射信号中不包含任何目标信息,是不是表示雷达的发射信号不需要进行设计昵.回顾一下雷达的基本探测目的:测距、测速和测角,虽然对现代雷达测量已经提出了更多需求。下面仅以距离测量为例,来讨论波形设计的必要性。为了进行距离测量,雷达通常需要脉冲方式或对不同时刻发射信号能够区分的连续波工作,由信号的延迟直接换算得到。为了探测较远距离目标,则对信号的能量提出了需求。雷达测距需达到一定精度,脉冲长度或信号标志必须足够短。这样为了弥补能量不足,就必须用脉冲压缩或其它类型信号。这样,即使是一部简单功能的雷达信号的设计也需要考虑探测的多方面因素,然而各种因素之间可能又是相互制约的。同时,雷达作为
31、一种工程装备,其工作效率和可实现性也是不可回避的问题。所以,雷达波形设计需要综合考虑各方面因素,是一项复杂而又非常具有挑战性的工作。由此可见,对单发射机而言,设计一个有效的雷达波形并不简单,甚至有多部专著论述这个问题盯吲。雷达由于多发射波形的引入而使得其波形设计与常规雷达波形设计有很大不同。由于雷达是一种新体制雷达,工作时需要设计新的信号形式。其波形设计除了传统雷达波形设计的要求外,还需要加入一些新的设计准则,例如波形之间的互相关特性,即正交性能。除此之外,本章对正交雷达信号形式、信号模型及处理进行了研究,并对其特点进行了简要分析。电子科技大学博士学位论文.雷达信号模型、处理及基本特点. 雷达
32、信号模型雷达信号模型可分为如下四种形式讨论:发射信号分集、收发全分集、接收分集和发射分集。由于第三种和第四种模式除分集在不同的端外,机理几乎相同。它们均为收发全分集雷达的特殊形式,为避免重复性仅对接收分集作简要介绍。下面分别介绍前三种雷达的信号模型。.发射信号分集雷达设发射接收阵列均为均匀线阵,具有肘个发射阵元,个接收阵元,存在个远场目标,电磁波建模为平面波,入射到第个目标的角度为,到达接收阵的角度为最,如图.所示【。图.发射信号分集雷达模型设第个阵元发射信号。,信号。,:,?,%之间相互正交。如果发射载频为五的信号,则目标处的基带信号可以表示为.,秒,?,. 式中表示第坍个发射天线到目标的时
33、延,?月表示共轭转置,表示每个发射信号脉冲的采样数量,恐?勃,第二章雷达信号设计及信号模型和处理.护咖例伽删引?膨机四,其中?.表示转置,是目标角度秒的函数,为对连续信号。的采样在简化的点目标假设情况下,接收数据矢量能够表示成、,儿?肌明、。触只胃刚,占砚,?,儿,表示第刀个接收天线接收到的信号,?嘶扩哟?嘶州鲫,屈是与目标式中乞目是信号从位于口角的某个目标到达第,个接收天线的时间,雷达正比的复数幅度,皖是目标的方位参数,?表示复共轭。在接收机中可采用对接收信号进行加权波束形成处理,即,乡占,目,式中汐,秒,%,?,为接收加权向量。这样,自适应算法比如最大信干噪比准则,线性约束最小方差准则等可
34、以直接应用于这种雷达的接收处理中。值得注意的是,图.所示的发射信号分集雷达的发射阵和接收阵布置到两个不同的地方。实际上,发射阵和接收阵可以像普通相控阵雷达一样,可以共置一处甚至收发共用阵列。发射信号分集方式与传统的数字阵列雷达具有一定的兼容性,更易于工程实现而得到更广泛的研究。.收发全分集雷达,。发收发全分集雷达,即分布式雷达,模型如图所示【射天线共有个阵元。肌,?,空间位置坐标表示为,.;接收天线共有个阵元%甩,?,空间位置坐标表示为.,.;目标在空间的分布范围【%一缸/,/,/。电子科技人学博十学伊论文丫丫如/丫嘞丫眨丫 图.收发全分集雷达空间结构模型发射天线各阵元发射信号分别为墨,:,?
35、,%,构成发射信号向量为.,:,?,%接收信号向量为.一,:,?,蜘为使整个雷达系统工作于分布式状态,即各阵元信号独立,或信号具有大的角度扩展,要求满足如下条件之一口%一%,。,。/缸仉一秒。%,秒。,。/缈一%【,秒,。】/缸。,。/缈,式中,是雷达载波波长,。为目标的中心坐标位置,【?,?表示两点的距离。设空间共有个目标或散射单元,第个目标相对第聊个天线的方向角为吒。,第个目标相对于第一个目标的间距为。,第个目标的散射系数为%,则发射矩阵可表示为第二章雷达信号设计及信号模型和处理。:陟肥砼脚如,?。礅”州吲一同理,接收矩阵可表示成与式.类似的形式,这样,接收信号,其中,是维接收噪声向量,是
36、信道矩阵,能够表示为肘。.,?,式中为目标散射对角阵, 。对式.接收信号进行匹配滤波和后续处理,能够实现目标检测和参数估计。对信道矩阵的估计尤为重要;采用正交发射信号是一种有效的估计方法。.接收分集雷达接收分集是收发全分集模式的特殊情形。接收分集要求接收天线之间满足空间去相关特性,即满足.的前两个条件之一。设发射信号为,接收分集信号模型如图所示,则接收信号为:,。,其中伐。为第个目标的衰落系数向量,【。小协?,“】,口表示发射信号到第七个目标再到第,个接收天线的衰落系数,:,?,凡,。接收天线接收天线 接收天线图接收分集雷达模型由于不同角度散射目标可能呈现剧烈起伏,来自不同角度的接收信号的强度
37、电子科技人学博十学位论文由于不同角度散射目标可能呈现剧烈起伏,来自不同角度的接收信号的强度可能出现很大的变化。利用接收分集模式,接收信号是多个不同角度散射信号合力影响的结果。这样使得对某一目标而言,接收信号的强度基本保持恒定。因此,接收分集雷达有助于对抗目标闪烁。在用电视塔发射信号的探测中在很宽的范围内只有一个电视塔,采用多分布式站接收就是这种模型的一个典型实例。.雷达信号处理雷达自适应信号处理是学术研究的理论热点课题,但从工程应用上讲,相对简化并且能够快速实现的算法彳是实际所需。从信号模型可知,雷达的波束形成与传统的相控阵雷达不同。雷达由于在发射端采用下交波形,在方位处理时,需要进行双程发射
38、和接收波束形成处理。在雷达中,常用的方法是采用先接收波束形成,再匹配滤波后进行等效发射波束形成或先匹配滤波再发射和接收波束形成。以前者为例,其实现结构如图.所示【。事实上,运算结构可以进一步简化,要得到某个方向上的波束,需要对同一个方向进行两次波束形成处理。如果能把两次波束形成合二为一,则这种运算过程将大大简化,如图.所示。了.。,。了。,同时形成个接收波束每个通道分别匹配滤波个信号形成等效发射波束,距离像图雷达接收信号处理流程当信号为窄带时,由角度引起的时延可以近似用一个相移表示。当信号为宽第二章雷达信号设计及信号模型和处理带时,接收信号的时延差异就不能简单地看成相位改变。这时需要采用其它方
39、式实现发射与接收波束形成处理,比如时延滤波器。对于宽带信号,另一种可选的方式是将宽带分为多个窄带,然后在每一个窄带上分别采用窄带的处理方法,最后进行频域合成。?卜信号分离同时形成个波束图.简化的雷达接收信号处理流程由于采用相干的波束形成的处理方式,因此这里的处理方法主要针对集中式雷达。.雷达基本特点雷达在抗截获性能、速度分辨力、动态范围、测角精度等多方面性能均优于传统雷达【】。由于在雷达出现之前,传统的相控阵雷达被认为是最先进的雷达体制。因此,这里在性能方面主要与传统的相控阵雷达为参考。下面对雷达与相控阵雷达在对等条件下进行基本特性的简要对比分析【。.抗截获性能设雷达阵列有个阵元,每个阵元发射
40、功率为。根据电磁辐射的基本原理可知在常规相控阵雷达和雷达距离发射天线尺处的功率密度分别为.,筹,;石万,夕洲和舢分别表示常规相控降雷达和雷达的功率密度。它们之比电子科技人学博十学位论文旷嘉.因此,在距发射阵相同距离的空间位置,雷达的功率密度为相控阵雷达的/。因此,在侦察接收机灵敏度相同的条件下,截获雷达的主瓣信号更困难,或者说雷达的被截获距离将更近。.速度分辨力由于雷达发射低增益宽波束,因而在相同的距离处有更小的信号功率密度。因此得到相同的检测信噪比需要更长的积累时间。设雷达的波束宽度为相控阵的倍,那么为了达到与普通相控阵雷达相同的作用距离,必须进行倍的脉冲积累。即信号作用到目标上的持续时间增
41、加倍。根据经典的傅立叶分析理论,增加处理信号长度可以改善频率分辨,而多普勒频移又与目标径向运动速度成正比关系,因此速度分辨,与信号持续,成反比,即二.这样,速度分辨力就提高了倍,同时也增强了低速动目标检测能力。.动态范围相对于相控阵雷达,雷达由于阵元发射功率和方向图增益均降低倍,使接收到的杂波功率降低,对同样的接收系统参数,可使雷达系统能接收和检测到更小的目标信号。另外,如果采用数字波束形成处理,信号相干而噪声不相干,对于个接收阵元,系统的动态可进一步地提高倍。.测角精度掣研究显示,相控阵雷达的测角精度和雷达的测角精度分别为仃一了丽, .“矿一而丽,/ 二其中是接收天线的带宽,是信干噪比。可以
42、看出,理论上与相控阵雷达对等的雷达获得的角度估计误差比常规的相控阵雷达小倍。第二章雷达信号设计及信号模巧币处理另外,研究还表明雷达在目标检测能力、参数可辨识性和利用自适应算法等多方面性能优于传统雷达,这卑不再详细讨论。.雷达正交波形及设计准则. 雷达正交波形要实现主瓣低截获概率,雷达各发射阵元需要发射不同信号。为确保接收机能够独立地处理各个不同的发射信号,彼此不受干扰,则要求发射阵列发射相互正交的信号】,虽然某些特定探测需求可能使用相关或部分相关信号。所谓正交,是指信号之间的互相关为零。目前已经研究的正交信号主要有交点频脉冲信号、下交多相编码信号、讵交离散频率编码信号、.信号和自适应信号等”。
43、下面分别对这几种常见的波形进行简要概述,讨论中假定雷达有个发射阵元,第个阵元发射信号为,?,一。.正交点频脉冲信号发射信号。俨,科,一, .其中为一矩形脉冲,表示为心%,比舻式中%表示脉冲宽度。由于%怯如:“则各个阵元所发射的信号相互正交。信号的总带宽口;/%,式中为信号个数即发射阵元数。电子科技人学博十学位论文这种信号在早期的综合脉冲孔径雷达中有研究,通过脉冲综合能够获得高距离分辨能力。雷达为获得一定的探测距离,必须要求大的脉宽,这就意味着每个频率上的信号带宽很窄,这样距离分辨力就很有限。下节介绍的.信号能够扩展每个频率上的带宽,具有实现距离高分辨的潜力。. .信号每个阵元上发射以不同频率为
44、基准调制的信号,每个阵元的基准频率按问隔丘步进,如果这些信号之问满足正交性,则称为?信号。设天线第个阵元发射信号.墨;伽【峨刚,;,?,一为线性调频的调频率,如图所示。当厶/取一正整数时,.能够得到啪毛.。恼:二即当肌一万时,信号%和%在时间,内相互正交。/?/氏?.&阵元阵元 阵图 .信号发射模式当在频带无重叠时,信号总带宽.由于线性调频信号的固有特性,其自相关峰值旁瓣电平仅为.。虽然通过加窗可以降低旁瓣,但是实现低旁瓣时,主瓣展宽,并且信号能量出现较大损失,信噪比降低。第二章雷厶信号设计及信号模型和处理.正交多相编码信号多相编码作为一种脉冲压缩方式在常规雷达中得到广泛应用。通过设计不同编码能够获得多个下交的多相编码信号。设正交多相码集有个信号,.每个信号包含个子脉冲,/信号集可以表示为?毛口地川,?,刀,.,其中。郦仁历絮腑,式中是子脉冲宽度,屯表示子脉冲相位。如果采用相编码,那么九,吾,.吾,.?,似吾。对于一个信号个数为,子脉冲数为的相编码信号集,可以用如下相位矩阵表示氟, 唬, ?,晚兜, 噍, ?,欢 , 九,九,?,九上述矩阵的元素只能从集合,吾,.吾,.,鲁选取。一个特定的由个相编码信号,每个信号包含个子脉冲,构成的
