超稀疏阵列近场波束形成与节点智能遴选方法研究

发布时间：2020-09-16 18:23

　　超稀疏阵列,采用广域收发节点布置的形式(例如平方公里量级布阵),其阵列孔径大,使得它具有极高的空间分辨能力,战场生存能力强,相比于双/多基雷达的收发集中式,超稀疏阵列稀疏度为传统密布阵列的几十倍,安装方便,易于在已有基础设施上布阵,一定程度克服了传统阵列受地形限制的影响,超稀疏阵列是收发去中心化的分散式,而通过去中心化的节点布置方式,其收发视角众多,使得超稀疏阵列收发工作体制十分灵活,反辐射与抗干扰能力大大增强,同时具备反隐身能力大幅提升的潜力;此外,超稀疏阵列布设范围广节点规模庞大,相比于集中式雷达,每个节点发射功率小,副瓣低,具有良好的反截获能力。然而超稀疏阵列虽然具有上述诸多优点,但是,它带来了如下挑战,通常视距范围内的目标,对于我们超稀疏阵列而言,是一个近场探测问题,不仅跟目标的方位俯仰维角有关,而且跟目标的距离有关;所以我们要研究超稀疏阵列的近场波束形成技术。此外,以一体化时频空基准和敏捷网络相连的通用宽带射频收/发节点,对单个侦、干、探、通等任务而言是冗余分布的,需要根据具体任务调用对不同节点进行配置和调用,因而使得超稀疏阵列面临丰富节点资源“选择困惑”的挑战,即如何选择最优探测资源以达到探测任务要求,减轻后续数据传输与处理的压力。针对上述现有存在的难题,结合雷达探测任务,本文对超稀疏阵列近场波束形成和节点资源智能化遴选展开了研究。首先,开展了相控阵雷达系统参数分析,确定了阵列规模,然后,结合我国东南沿海某区域地形开展了超稀疏阵列近场波束形成的研究,在此基础上,开展了距离与高度依赖性的分析;随后到考虑不同目标方位时,所需的最佳阵列不一样,为了满足全方位覆盖和多任务(例如雷达探测或电子侦察等)的需求,使得超稀疏阵列面临着丰富节点资源“选择困惑”的难题。针对超稀疏阵列雷达大量节点造成的数据量大与系统复杂度高的问题,本文提出了一种基于强化学习的蒙特卡洛树搜索树(类AlphaGo)的超稀疏节点智能遴选方法。利用蒙特卡洛树搜索获得全局最优解的高概率特性,设计波束空间增益最大化目标函数,在几乎不损失空间增益条件下优化选取部分节点以降低系统复杂度。蒙特卡洛树搜索算法结合了机器学习和人工智能的前沿技术,与传统的智能优化算法(如遗传算法与模拟退火等)相比具有更好获得全局最优解得的优点。首先,介绍了蒙特卡洛树算法原理,然后,设计了空间增益最大化目标函数,接着采用了蒙特卡洛树算法实现了节点遴选,最后分析比较了遴选节点与全维节点的波束形成性能。仿真结果表明获得代价函数趋近于全局最优的节点遴选组合。其算法原理上通过策略网络在大量训练样本的基础上,建立一颗不对称的搜索树,搜索树根据目标方位、特性情形,得到大量不同遴选方案结果,通过价值网络对结果进行奖惩得到评分,每一次遴选结果的评分优劣均会影响下一次决策搜索流程,最终在大量训练迭代后,在满足约束条件的前提下,遴选出使代价函数趋近于全局最优的节点组合。本算法通过对有限资源节点的筛选,有效地压缩了节点的数据量,减小信号处理压力;降低雷达探测空间增益损失,避免节点资源浪费。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN958.92
【部分图文】：

检测门限,虚警概率,虚警率

西安电子科技大学硕士学位论文16图3.1 检测门限与虚警概率从上述仿真结果可以看出，虚警率与检测门限成反比，检测门限设置得越高，虚警率越低，检测门限设置为 13dB 以上时，虚警率便可降低到 10e-8以下（2）虚警时间faT虚警概率fap 是指噪声包络电压超过TU 的概率，通常还可采用faT 来表征虚警数量，faT 是检测到多个相邻虚警信号的平均时间间隔，用KT 表示噪声电平超过TU 的时间间隔，用 ( )kt平均表示脉冲平均宽度

虚警时间,检测门限,系统带宽

第三章超稀疏阵列系统参数分析与近场波束形成17图3.2 检测门限与虚警时间从上述仿真可知，带宽相同时，检测门限值设置越高，对应虚警时间越长；检测门限相同时，系统带宽越宽，对应虚警时间越短。（3）发现概率dp如果环境不存在噪声，那么理论上任何功率大小的信号都能经过多次放大检测到，理论上dp 为信号电压超过TU 的概率，然而事实上接收端接收时的噪声是客观存在的，因此讨论dp 时不能忽略噪声，实际上的dp 为信号加噪声后的电压超过TU 的概率。当用2 表示噪声方差

检测门限,发现概率

图3.3检测门限与发现概率从上述仿真结果看出，检测门限相同时时，信噪比越小，发现概率越低难以被检测到；信噪比相同时，检测门限值设置得越大，发现概率越低检测门限设置过高使目标更难以被检测到，这也符合我们日常的认知规合理设置一个检测门限，使得dp 和fap 均符合我们的要求是很有必要的。仿真可知，SNR 在 12~14dB 之间时，fap 不会过大，而dp 又不会太小。3.1.2 超稀疏阵列雷达探测威力范围与最少节点数估算根据雷达方程及以下公式：2 2 20 0 03 40( )( )=(4 )t t cPARPP G N N N N NSNRkT FLR L 其中发射增益 Gt：20 0( )t tG G N N接收天线增益 Gr：0 0( )rG G NN0N ：每个节点的天线单元数；

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