频谱拥堵环境下的自适应雷达波形设计研究

发布时间：2020-08-16 19:33

【摘要】：雷达通过发射并接收电磁信号获得目标的位置及运动信息。为了获得足够高的距离分辨率,传统雷达通常需要占用一段连续的较宽的频带。然而,随着电磁用户数量以及各用户对频谱带宽需求的持续增长,雷达将不可避免的和其它电磁波用户工作在同一频带,这增加了雷达与其它用户相互干扰的可能性。为了保证雷达在频谱拥堵环境下的频谱兼容性,雷达系统需要避开存在较强干扰以及其它高优先级用户工作的频点/段,而这会不可避免的破坏发射波形的自相关函数性能。为此,现代雷达系统需要更好的“认知”工作环境,并充分利用发射波形的各种自由度以保证自身的性能。为实现该目的,本课题分析了频谱拥堵环境下雷达发射波形的性能,提出了优化波形参数的算法,并实现了若干种不同形式波形的优化设计。在对波形的性能分析方面,本论文建立了给定工作频带下对发射信号距离分辨率与距离旁瓣水平的评估体系,提出了快速预测这两者的方法。在该工作中,我们将这两者均描述为信号功率谱的函数,建立了对应的优化问题。借助拉格朗日法,本论文推导给出了最优功率谱的解析表达式进而实现了对其最优性能的预测。基于该工作,雷达系统可以更好的“解读”外界频谱环境,进而更智能的工作。在对发射波形参数的优化算法方面,本论文分析了波形不同指标优化问题的共性,将其统一的描述为频谱优化问题。本论文使用信号功率谱与指定功率谱模板的残差作为统一的性能指标,并使用共轭梯度法最小化该指标以获得具有不同期望性能的波形。在此基础上,本论文推导给出了使用FFT快速计算上述功率谱残差及对应梯度的方法,大大降低了最小化该指标的计算复杂度。借助标量化方法以及链式法则,所提方法同样可以灵活的应对需要同时兼顾多个设计目标的复杂优化问题。该工作奠定了本课题对多种不同形式波形优化设计的算法基础。在具体的波形设计方面,本论文分别提出了频谱拥堵环境下的PCFM(Polyphase-Code Frequency Modulation)波形、脉间分集波形、频率捷变波形的优化方案。PCFM波形是近些年刚被提出的一种脉内快时间调制波形。由于具有恒定的幅度包络及连续变化的相位调制函数,PCFM波形可以最大化雷达平均发射功率并有效控制其频谱旁瓣。针对现有设计PCFM波形的方案大多比较复杂、耗时的问题,本论文提出了一种基于内插重构的设计方案,将对PCFM波形的优化转化为对其均匀采样序列的最优设计问题。进一步的,本论文将PCFM波形采样序列的优化描述为对其功率谱的拟合问题,进而使用本课题提出的频谱优化工具实现快速求解。基于本课题对频谱拥堵环境下雷达波形性能的分析,我们可以通过选取合适的目标功率谱模板实现对最终PCFM波形距离分辨率及距离旁瓣水平的综合控制。实验结果表明,设计获得的PCFM波形在具有非常“干净”的频谱旁瓣的同时,可以有效抑制与带内其它用户的相互干扰并保证自相关函数性能。脉间分集波形指的是一个信号积累周期内发射波形不断变化的波形。由于具有更高的自由度,脉间分集波形比相参脉冲串信号具有更强的抗干扰能力。此外,当外界频谱环境在一个积累周期内发生较大变化时,脉间分集波形也是自适应雷达系统保证自身工作性能的必然选择。鉴于此,本课题建立并提出了时变频谱环境下自适应脉间分集波形的设计模型及设计方案。在设计过程中,本论文考虑发射脉冲分别为相位编码信号和PCFM波形两种情况,并提出了对应的同时优化信号频谱兼容性与自相关函数性能的方法。区别于大部分已有研究的,本论文在优化信号自相关函数性能时需要综合考虑已发射脉冲信号的特性,而非孤立的优化即将发射的波形。由于采用了全局的设计视角,所提设计方案在时变频谱环境下可以获得比传统方案更好的整体性能。频率捷变波形是一种脉间频率分集信号,相较于脉内快时间调制波形,其优势在于可以在不增加系统瞬时带宽及采样率等硬件需求的条件下获得大的距离分辨带宽。此外,通过恰当的分配信号发射频率,雷达系统可以在避免相互干扰的情况下获得尽可能低的距离旁瓣水平。然而,由于频率捷变信号的优化问题是高度非凸的,如何快速的获得全局最优的发射频率组合一直以来都是十分棘手的问题。针对该问题,本文分两步实现了对发射频率的快速最优设计。在第一步中,本论文借助凸优化以多项式复杂度求得具有期望自相关特性的幅度函数,进而以不同密度分配发射频率模拟该幅度函数以获得对原始问题最优解的近似估计。在第二步中,本论文使用梯度方法对获得的近似解进行局部优化,最终获得(准)最优解。实验表明,所提设计方法可以以极少的运算时间实现对频率捷变信号的最优设计。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN958
【图文】：

自相关函数,功率谱密度,因子,主瓣

图 2-3 不同折中因子下最优功率谱密度及对应自相关函数ig. 2-3 Optimal PSDs and corresponding ACFs under different trade-off factors c) Close-up of the ACF responses close to the mainlobe×10-6

频谱,功率谱密度,频谱,距离分辨率

图 2-6 不同频谱凹陷水平下的最优功率谱密度以及对应Fig. 2-6 Optimal PSDs and bounds on IME and ISE under differ其次，我们可以看到在给定的工作频带结构下，随着频谱获得的 ISE 旁瓣性能变差，而可获得距离分辨率性能却在改的变差是在预料之内的，而为了解释距离分辨率的改善，这a) Optimal PSDs b) achievab

功率谱,优化序列,权重因子,功率谱

图 3-1 两种不同权重因子下的优化序列功率谱Fig. 3-1 Power spectrum of optimized sequences under two different trade-off factors在第一个试验中，权重因子分别为1=1 与2=0，即仅抑制信号的频谱上包在该实验中，所用 PR-CGM+经过 4265 次迭代终止，图 3-1a 给出了输出序列率谱密度。从该图可以看到，优化后序列在 Ω 范围内频谱上包络很好的逼近了a)1=1，2=0 b)1=1，2= 2×10-5

【相似文献】