非理想条件下的稳健波束形成方法研究

发布时间：2020-10-28 12:54

　　 自适应波束形成技术作为阵列信号处理领域中一个重要的研究方向,广泛应用于雷达、声呐、无线通信、语音信号处理、医疗成像等领域。相比于数据独立的波束形成方法,自适应波束形成技术具有良好的空间分辨能力以及干扰抑制能力等。实际阵列系统中面临着各种非理想因素,对阵列信号处理波束形成技术造成不可忽视的影响,如信号传播的畸变、阵列的形变、阵元的幅度和相位起伏、回波数据统计分布的变化等等。因此,实际的阵列波束形成必须要解决不同应用环境下的适用性和稳健性问题。现有的一些稳健波束形成方法虽然一定程度上缓解了传统自适应波束形成方法在非理想条件下性能恶化问题,但是也都有各自的局限性。本文针对现有波束形成方法所面临的期望目标信号方向矢量严重失配、约束参数选择困难、回波数据统计分布变化、约束矢量失配等问题,开展非理想条件下的稳健波束形成方法研究,并将稳健方法应用于空时自适应处理。本文的主要贡献和创新点概括如下:1、针对传统单不确定集约束的稳健波束形成方法存在的不确定集尺寸参数选择难且在方向矢量误差较大时性能损失严重的问题,提出了基于多不确定集约束的稳健波束形成方法。与传统的稳健方法不同,该方法利用多个小不确定集合去覆盖整个大的不确定区域。由于原始问题是一个非线性非凸约束的二次优化问题,提出了两种迭代方法进行求解。第一种方法将原问题重排变换至高维空间,然后利用半正定松弛技术来重构问题,最终通过循环迭代求得波束形成器的自适应权矢量。第二种方法引入多个辅助变量,然后利用半正定松弛技术将问题中的非线性项通过一阶泰勒展开近似为线性项。在期望目标信号方向矢量误差很大时,所提方法提供了很好的稳健性以及很高的输出信干噪比。2、针对非高斯信号环境二阶统计量描述在波束形成中造成的干扰抑制剩余和输出性能损失问题,提出了基于最小离差无失真响应的稳健波束形成方法,并结合期望目标信号的方向矢量严重失配情况,通过最小化阵列输出离差的同时施加多个不确定集约束来解决此问题。由于多不确定集约束,原始问题是一个非凸的?_p范数最小化问题,提出了一种迭代的投影梯度算法将原问题转变为非凸二次约束二次规划问题。在每一步迭代中,首先引入一个辅助变量,将问题重排转化至高维空间,然后利用半正定松弛技术重构此问题进行求解。得到的权值在每一步迭代中沿着梯度方向进行更新,并投影到问题的可行域。在非高斯信号环境下,当存在大的方向矢量误差时,相比于其它所有基于最小方差准则以及基于最小离差准则设计的方法,所提波束形成方法可显著提高系统的输出信干噪比。3、针对机载雷达探测超低空目标时,由于超低空目标与环境之间的耦合多径效应,产生的“镜像”虚假目标严重恶化协方差矩阵估计和运动目标检测性能问题,将稳健的波束形成方法应用于空时自适应处理(STAP),提出了基于时域优化的多点联合幅相约束的稳健空时自适应处理方法。首先给出了超低空目标环境下的信号模型,分析了超低空目标及其“镜像”目标引入的多普勒扩展特性。通过在待检测目标位置临近的空间和时间二维域内多点采用幅度和相位的联合约束,并基于保形约束设计了主瓣响应矢量,推导了空间和时间二维响应矢量的解析解,实现了STAP二维响应的主瓣保形,克服目标多径效应造成的检测性能损失。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN911.7
【部分图文】：

第一章 绪论AN/FPS-118 是第一部实战型超视距雷达，于 1987 年交付美国空军并部署于缅因州。AN/FPS-118 雷达工作频率为 5~28MHz，发射天线长度为 1 公里，接收天线长度为 1.5公里，可覆盖 500 到 1800 海里的 180°扇形区域，探测高度为 60~350 公里，能够在远距离处发现低空目标。图 1.1（a）给出了 AN/FPS-118 雷达的天线阵，图 1.1（b）给出了其探测覆盖范围的示意图。随后雷声公司研制的机动式超视距雷达 AN/TPS-71成本更低、精度更高，能运至全球任何地方。荷兰电信设备公司 Signaal 所研制的远程监视雷达 SMART-L（Signaal Multibeam Acquisition Radar for Tracking, L band）工作在 L 波段（见图 1.2），拥有一块 8 米长的框架，包含 24 个天线阵元（16 个阵元用于发射，24 个阵元用于接收），可在 400 公里内跟踪 1000 多个空中目标。日本三菱电子公司研制的 OPS-24 三维对空搜索雷达工作于 D 波段，能实现俯仰方向上的电子扫描，可在 210 公里内同时跟踪 150 个目标。瑞典爱立信微波系统公司（现已并入萨博集团公司 Saab）研发的“长颈鹿”捷变多波束雷达系统是一种多用途防空搜索雷达，工作于 C 波段，可快速部署，已应用于多个防空导弹系统。

瑞典SMART-L雷达

美国AN/SPY-1雷达
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本文编号：2860119