亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        波形分集陣列新體制雷達研究進展與展望

        2022-01-08 05:37:10朱圣棋許京偉李西敏
        雷達學報 2021年6期
        關鍵詞:雜波波束波形

        朱圣棋 余 昆 許京偉 蘭 嵐 李西敏

        (西安電子科技大學雷達信號處理國家重點實驗室 西安 710071)

        1 引言

        從機械掃描雷達到相控陣(Phased Array,PA)雷達直至多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)雷達,雷達系統對目標和環(huán)境的信息獲取能力不斷擴展,系統可控自由度不斷增加。波形分集陣列雷達是在此基礎上又一次體制升級,其各發(fā)射天線的信號在空間、時間、頻率、極化以及調制方式上存在差異,增加了雷達系統的自由度,雷達可以更好地獲取信息,優(yōu)化目標探測性能。

        2004年美國電子電氣工程師協會(Institute of Electrical and Electronics Engineering,IEEE)組織召開“波形分集與設計”的國際會議,在波形分集概念和理論方面開展了深入研究,展示了波形調制在通信、雷達、聲納等領域的成果[1–4]。近年來,波形分集受到國內外學者的廣泛關注。IEEE雷達標準P686/D2(2008年1月)將波形分集定義為“能夠為特定場景和任務動態(tài)優(yōu)化雷達性能的雷達波形的適應性”。2007年IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing上出版關于波形分集的專題[5]。2009年IEEE Signal Processing Magazine發(fā)布了“波形捷變傳感與處理”特刊[6]。國外麻省理工林肯實驗室、華盛頓大學、新澤西研究所、佛羅里達大學和牛津大學等以及國內清華大學、北京理工大學、西安電子科技大學、電子科技大學、國防科技大學等已展開波形分集雷達理論和實驗平臺的研究。波形分集陣列發(fā)射調制帶來了電磁波輻射特性的變化,取得了一定的研究進展,提升了雷達在檢測、跟蹤和抗干擾[7]等方面的性能。從波形分集雷達的技術實現上主要分為頻分、時分、碼分3種方式。

        基于頻分的波形分集技術—頻率分集陣列(Frequency Diverse Array,FDA)概念最早由美國空軍研究實驗室Antonik等人[8]在2006年的IEEE雷達會議上提出。文獻[9–12]對FDA進行了綜述性的介紹。對FDA的研究包含了對發(fā)射方向圖特性分析和信號處理層面上系統自由度的利用。在發(fā)射方向圖特性方面,部分學者探討了FDA天線發(fā)射方向圖隨頻率步進量、時間、距離的變化特性、距離-角度耦合問題及時變問題。文獻[13–15]分析了FDA天線方向圖的周期性、距離-角度依賴特性。國內外學者直接從發(fā)射端考慮解決目標距離-角度耦合問題,通過采用對數頻偏[16,17]、隨機頻偏[18]、漢明窗遞減的頻偏[19]以及采用智能算法[20–22]的方式進行非均勻頻率步進量設計,以實現發(fā)射方向圖在目標處的能量聚焦以及干擾抑制。FDA天線發(fā)射方向圖的時變問題,可以通過脈沖體制[23]、凸優(yōu)化算法[24]實現準靜態(tài)的發(fā)射方向圖設計來實現。此外,空軍工程大學、海軍航空大學等學者也對時不變方向圖問題進行了分析[25,26]。在信號處理方面,諸多文獻探索了FDA新信息/新自由度的利用方法。文獻[27]利用FDA距離維可控自由度對運動目標的參數進行無模糊估計,文獻[28]推導了FDA-MIMO雷達基于MUSIC的參數估計的性能表達式。文獻[29]初步探討了利用自適應二維波束形成對抗主瓣干擾的問題,隨后文獻[30]做了改進,分析了對抗跨周期的轉發(fā)式欺騙式干擾的可行性。針對假目標偽隨機分布問題,提出接收主瓣方向的子空間投影和信號功率檢測[30]、非奇異樣本挑選[31]方法實現樣本挑選。文獻[32]考慮了非理想正交波形條件下的抗干擾,基于距離-角度二維匹配濾波器來抑制由于距離維失配的假目標。此外,電子科技大學、南京理工大學、空軍工程大學等科研團隊對基于波形分集的抗主瓣欺騙式干擾問題做了相關研究[33–36]。文獻[37–40]研究了運動平臺FDA-MIMO雷達在地海面雜波抑制和廣域運動目標檢測中的應用。文獻[41]通過空時距離三維自適應處理方法,綜合利用空間角度、距離和多普勒三維信息進行自適應雜波與干擾的同時抑制。文獻[42]提出了一種增強的三維聯合域局域化STAP方法,包括發(fā)射-接收空間頻率域的欺騙式干擾預白化方法,在存在強真實目標和重地雜波的情況下,有效地提取不可預測的欺騙干擾樣本,提高雷達抗干擾性能。文獻[43]提出了一種基于FDA的目標高分辨距離方位成像方法,使雷達波束圖不僅是角度的函數,還含有距離信息,通過協同收發(fā)波束形成實現了目標的距離角度成像。文獻[44]提出了一種利用FDA距離維自由度實現高分辨寬測繪帶成像距離解模糊方法,解決了SAR成像測繪帶寬對方位高分辨率的制約問題。本團隊以復雜電磁環(huán)境下雷達主瓣干擾抑制的世界性難題為牽引,揭示FDA雷達同時利用角度和距離信息分離目標與干擾的原理,提出FDA雷達聯合多維域信號處理方法,突破雷達主瓣干擾抑制的難題。

        基于時分的波形分集技術—時間分集陣列(Time Diverse Array,TDA)雷達通過在相鄰陣元間引入時間延遲,獲得了空間和時間耦合特性,僅需要一種波形即可實現全空域的覆蓋,而且不同陣元所發(fā)射的信號在時間上正交,從而克服了傳統的相干MIMO[45–48]雷達系統對發(fā)射波形正交性的限制。2013年Babur等人[49]將TDA與MIMO雷達相結合,首次提出了時間分集空時編碼陣列(Space Time Coding Array,STCA)的概念。文獻[50–56]對STCA特性進行了研究。文獻[49,51]指出STCA通過引入時間延遲可以在廣闊的空間覆蓋范圍內實現恒定增益。文獻[52]對STCA的空域覆蓋能力及其在距離上的分辨率做出了分析和驗證,指出空域覆蓋能力的提升是以降低距離分辨率為代價的。針對距離分辨率降低問題,文獻[53]提出通過相位校正方法來降低距離副瓣。Babur等人[54,55]對STCA的性能進行了分析,詳細推導了典型空時編碼波形的模糊函數,并針對陣元發(fā)射波形間的互耦問題,提出在發(fā)射端的波束形成校準技術[56]。此外,STCA的許多應用已在文獻[57–62]發(fā)表,包括數字波束形成、陣列校準、參數估計等。文獻[58]在STCA的啟示下,實現了在雷達目標檢測工作模式下的方向圖誤差矯正以及天線互耦的聯合校正,簡化了系統設計。文獻[59]提出了一種擴展的恒定稀疏的循環(huán)碼用于發(fā)射波束的合成。文獻[60]詳細推導了時間延遲與波束角覆蓋范圍之間的定量關系,提出了一種新的基于chirp-STCA的波束形成方法,從而使能量能夠均勻地輻射到期望角區(qū)域。文獻[61]在快拍不足和信噪比低的情況下,研究了基于STCA的波達方向(Direction Of Arrival,DOA)估計方法。本團隊研究提出了一種基于發(fā)射維空間自由度的波束域超分辨角度估計方法[63],通過設計角度-時間二維匹配濾波器,在接收端等效形成發(fā)射多波束,從而擴展系統的自由度,提高距離角度分辨性能,且工程上易實現。

        基于碼分的波形分集技術—編碼技術已廣泛應用于雷達信號的各種維度,包括快速時間維、空間維、脈沖維,以及它們之間的聯合。通過研究二相碼和多相碼的最優(yōu)自相關峰值旁瓣電平[64]和積分旁瓣電平[65]保持脈沖壓縮信噪比;文獻[66,67]采用脈沖間編碼方式用于擴大合成孔徑雷達的成像條帶;方位向編碼技術[68]、MIMO技術[69–71]用于SAR抑制距離模糊;文獻[72]提出了一種陣元間的編碼方式,可實現雷達、通信一體化系統的干擾抑制。最早研究的空時編碼是基于通信系統的,然后應用于雷達系統的聯合快時間維和空間通道維[73–76]以及聯合脈沖維和陣元維[77]。實際上,空間或脈沖內引入相位編碼項等價于調制發(fā)射脈沖內有關項頻率,在波形分集研究工作中,我們提出了一種脈沖和陣元間的編碼方案?;贛IMO體制提出了采用傅里葉基在聯合發(fā)射陣元-脈沖維進行編碼的新雷達框架[78],即陣元脈沖編碼-多輸入多輸出(EPCMIMO)雷達。研究表明,EPC-MIMO在發(fā)射空間頻率域引入了新的自由度,可實現不同脈沖回波的分離。新自由度同時提升了雷達解距離模糊的能力,可實現目標角度和距離模糊數估計,且模糊數識別能力與陣元數成正比。上述所提傅里葉基是以單調遞增或遞減的順序加入到陣元和脈沖的,在無雜波環(huán)境下的編碼方式可以是任意的[79]。文獻[80]考慮利用EPC方法實現主瓣干擾抑制,制定了EPC-MIMO雷達編碼系數設計準則,來區(qū)分不同模糊區(qū)內的真假目標,并通過非自適應波束形成實現了主瓣欺騙式干擾抑制。文獻[81]研究了面對高分寬幅(High Resolution and Wide Swath,HRWS)SAR成像應用的編碼方法,提出兩種編碼方案并對其在實際應用中的可行性與限制做了具體的分析。本團隊利用EPC雷達陣元脈沖間發(fā)射靈活的優(yōu)勢,提出距離無模糊參數估計[78]和主瓣欺騙式干擾抑制[80]方法,未來可推廣應用于星載高分寬幅成像[82]。

        本文對波形分集陣列雷達的基本概念、研究現狀和研究趨勢進行了系統歸納與總結,重點介紹了本團隊的研究進展,突破主瓣欺騙式干擾抑制和高分寬幅成像難題等關鍵技術,開展了波形分集陣列試驗系統的研制,并進行雷達主瓣干擾抑制的初步實驗驗證。全文結構安排如下:第1節(jié)為引言;第2節(jié)介紹波形分集陣列雷達的基本概念,重點對3種主要的發(fā)射分集技術進行闡述;第3節(jié)從應用角度介紹本團隊波形分集陣列雷達方面所提出的信號處理新方法,以及原理樣機的研制與試驗驗證效果;第4節(jié)對波形分集陣列雷達技術難點與未來發(fā)展趨勢進行展望。

        2 波形分集陣列的概念

        波形分集陣列常見形式包括對發(fā)射陣元進行頻率調制構成的頻率分集陣列(FDA)、對發(fā)射陣元進行時延調制形成的時間分集陣列(TDA)和對發(fā)射陣元沿慢時間進行相位調制形成的陣元脈沖編碼陣列(EPC)。通過多樣式的發(fā)射分集,實現發(fā)射波束靈活可控,可以最大限度地提高雷達資源的利用率,達到提升雷達系統性能、擴展雷達系統能力的目的。

        2.1 FDA的基本原理與概念

        考慮M個陣元組成的一維等距線陣,FDA在各發(fā)射陣元上引入微小的線性頻率變化,因此不同天線單元的發(fā)射頻率可表示為

        其中,f0為雷達的參考工作頻率,Δf為遠小于工作頻率的頻率步進量。陣元間距為dλ0/2,其中λ0c/f0為參考波長,c為光速。第m個發(fā)射陣元的發(fā)射信號形式可以表達為

        其中,φ(t)表示各發(fā)射陣元的基帶信號。在空間遠場距離R,角度θ,空間遠場合成的信號可以表示為

        FDA相對于相控陣雷達在發(fā)射陣元上僅存在微小的頻率調制。然而,FDA和相控陣的方向圖卻發(fā)生了本質的變化。采用表1的仿真參數,FDA和相控陣的方向圖如圖1所示,方向圖呈現S型,在距離和空間角度產生耦合。利用耦合信息,可獲取發(fā)射端距離維可控自由度,具有靈活的信號處理能力??捎糜诮鉀Q傳統相控陣雷達難以實現抗主瓣欺騙式干擾、距離模糊雜波抑制等問題。

        圖1 方向圖對比Fig.1 Comparison of transmit pattern

        表1 FDA和PA仿真參數Tab.1 Simulation parameters of FDA and PA

        2.2 TDA的基本原理與概念

        時間分集陣列雷達不同發(fā)射陣元發(fā)射的信號之間存在一定的時延差異,因此TDA第m個發(fā)射天線陣元的信號可以表示為

        其中,?Tp/2≤t ≤Tp/2。同樣,在空間遠場距離R,角度θ,空間合成的遠區(qū)信號分布可以表示為

        采用表2的仿真參數,圖2所示為TDA發(fā)射方向圖。時延導致了不同時刻的發(fā)射端相位變化,當時延等于帶寬的倒數即Δt1/B時,相位在一個脈沖寬度時間的變化范圍內剛好覆蓋整個空間角度域。在FDA雷達中,當Δf1/Tp時,由頻偏帶來的脈內空時耦合使波束掃描覆蓋整個空域,也可實現方向圖全空域覆蓋。因此,可以認為TDA和FDA的發(fā)射方向圖都具有距離角度耦合特性。與相控陣雷達相比,無須預先對發(fā)射端進行相位調制,TDA陣列即可實現發(fā)射波束自動空域掃描。因此,這種靈活的發(fā)射波束分集技術實現了波形分集體制雷達相比相控陣體制在獲取目標信息方式上的轉變,可以增強雷達提取信息的能力。

        圖2 TDA發(fā)射方向圖Fig.2 Transmit pattern of TDA

        表2 TDA仿真參數Tab.2 Simulation parameters of TDA

        2.3 EPC 的基本原理與概念

        對各發(fā)射陣元進行相位調制可理解為對發(fā)射波束指向進行控制。陣元脈沖編碼是一種在脈沖間對各發(fā)射陣元進行相位調制,利用隨慢時間時變的發(fā)射波束,實現波形分集的技術。第m個發(fā)射陣元發(fā)射的第k個脈沖的相位編碼信號可表示為

        假設遠場(R,θ)位置處存在一點目標,在陣元發(fā)射第k個脈沖時,空間合成的遠區(qū)信號分布可以表示為

        EPC等效發(fā)射波束示意圖如圖3所示,多個連續(xù)脈沖發(fā)射波束,可視為全空域覆蓋。EPC和FDA,TDA同樣具備靈活的發(fā)射波束,可作為一種實現目標探測與跟蹤多樣化的新體制技術手段。

        圖3 EPC發(fā)射波束示意圖Fig.3 Schematic diagram of transmit pattern for EPC radar

        3 波形分集陣列雷達最新進展

        現有波形分集陣列雷達的研究主要分為兩類,一種是結合MIMO技術,另一種就是相干體制。在相干體制下,接收端不能分離各個發(fā)射天線對應的信號,波形分集體制的發(fā)射維信息得不到充分的利用。若要獲得分離的發(fā)射信號,則需要采用MIMO技術。目前已有的對于相干體制下的波形分集陣列的研究主要是基于匹配濾波方法的參數估計方法研究。

        3.1 距離角度二維聯合處理的發(fā)射波束形成和匹配濾波

        傳統相控陣雷達在遠場窄帶假設下,空域和時域可以級聯處理,而時間分集陣列時域發(fā)射波形與空域導向矢量不能分離,通過設計角度-時間二維匹配濾波器,可以在接收端等效形成多發(fā)射波束,獲得發(fā)射端自由度,實現距離維匹配濾波和發(fā)射波束形成[63]。經過下變頻后的回波信號可表示為

        對接收信號進行M路匹配濾波,第i路匹配濾波函數可構造為

        其中,θi為第i個匹配角度,即波束形成角度,滿足如下條件:

        在式(10)的約束下,匹配濾波函數中的空域導向矢量可轉化為離散傅里葉基的形式,即exp{j2πmi/M},其中,m0,1,...,M ?1,i0,1,...,M ?1。因此,M路匹配濾波可進行正交波束形成,得到M組正交波束進行全空域探測。

        相干FDA體制下,不同空間角度方向的散射點的回波包絡和相位變化歷程不同,因此,相干FDA雷達的匹配濾波函數是角度-時間的二維函數[83]。FDA的回波可表示為

        為實現對空間任意點的匹配濾波,需要對每個空間角度設計一個匹配濾波函數,構造的匹配濾波函數為

        對于給定角度,等效匹配濾波器受發(fā)射方向圖的幅度和相位調制,脈壓積累時間僅為發(fā)射方向圖主瓣對應的窗長。相干FDA的匹配濾波函數實際上是由基帶波形和發(fā)射方向圖共同決定的。如圖4所示,沿電磁波傳播方向,TDA發(fā)射方向圖沿距離維是時變的,對于給定角度,相干FDA有效的相干積累時間僅為發(fā)射方向圖主瓣的持續(xù)時間。

        圖4 發(fā)射方向圖隨距離的變化關系Fig.4 The relationship between transmit pattern and range

        需要說明的是,當發(fā)射信號為線性調頻信號時,FDA通過調整雷達發(fā)射脈沖的寬度或頻率步進量,TDA通過調整陣元間時延,可以實現部分空間的覆蓋,調整雷達感興趣的觀測空域。相干FDA和TDA具有靈活的空間覆蓋能力,通過合理地設計系統參數和信號接收處理方法,可大大提高雷達空間覆蓋能力和效率,具有重要的應用價值。

        3.2 頻率分集MIMO雷達抗主瓣欺騙式干擾

        從干擾產生機理上講,多通道發(fā)射的信號在空間中線性疊加,發(fā)射調制的信息在干擾機截獲方是無法辨別的,所以當干擾機產生虛假目標時,只能利用截獲信號進行時間的延遲和多普勒調制處理,這在傳統雷達體制下,假目標和真實目標回波信號形式完全一致,難以辨別。如圖5所示,首先在停拖期產生和目標相同距離單元的假目標,假目標能量高于真實目標能量。其次在拖引期移動假目標所在距離單元,欺騙雷達的跟蹤波門跟隨假目標。當真實目標和假目標距離很遠時,干擾機關機,導致雷達跟丟目標,進而再次轉入搜索階段。這是主瓣欺騙式干擾用于雷達跟蹤階段的典型示例。

        圖5 假目標產生示意圖Fig.5 Schematic diagram of false target generation

        捷變是通過“快變”降低干擾信號相參可能性,保證目標信號相參積累增益。而分集思想是設計可辨識的調制信息,用于在接收端獲得信號和干擾的區(qū)分度。如圖6所示,頻率分集陣列雷達是利用了雷達多天線之間頻率的差異,使得目標距離維信息表現為發(fā)射陣元之間的頻率差異,對不同距離的目標存在不同的相位差異。傳統雷達在抑制主瓣干擾的同時目標也被抑制。本質上,頻率分集引入新的距離維信息和距離維可控自由度,可形成距離-角度二維發(fā)射天線方向圖,在距離角度二維空間調零,選擇性抑制特定距離的回波,從而抑制延遲轉發(fā)的欺騙式干擾信號。

        圖6 干擾抑制原理Fig.6 Principle of interference suppression

        利用FDA雷達距離角度二維自由度,在發(fā)射-接收二維域進行自適應波束形成,約束真實目標的距離和角度二維信息,從而抑制與真實目標信息距離角度信息失配的欺騙式干擾信號,即使是主瓣方向的欺騙式干擾信號也會因為距離信息的失配被有效地抑制[84]。圖7給出了FDA雷達基于非自適應波束形成抗主瓣欺騙式干擾結果。圖7(a)給出了Capon譜分布,可見真實目標由于收發(fā)頻率相同,因此沿主對角線分布,而對于假目標,與真實目標存在pRu·2Δf/c的發(fā)射頻率偏差,分布偏離主對角線。圖7(b)給出了發(fā)射-接收二維非自適應波束形成器響應,即二維方向圖。圖7(c)對比了不同方法FDA雷達的匹配濾波結果。FDA-MIMO雷達由于同時具有角度和距離維的自由度,采用非自適應波束形成抑制假目標后,預設的真實目標處會形成峰值。此外,可以采用穩(wěn)健的信號處理方法,設計穩(wěn)健波束形成器,可克服小樣本、陣列誤差、估計誤差等造成的波束形成器性能損失。

        圖7 FDA雷達主瓣欺騙式干擾抑制結果Fig.7 Suppression results of deceptive interference in the mainlobe with FDA radar

        3.3 EPC-MIMO星載雷達高分寬幅成像

        星載合成孔徑雷達因其獨特的全天時、全天候、全球對地成像能力,在環(huán)境和災害監(jiān)測、軍事偵察等領域得到高度重視。方位向高分辨率意味著較大的多普勒帶寬,需要以足夠高的脈沖重復頻率(Pulse Repetition Frequency,PRF)進行方位采樣,而寬測繪帶無距離模糊要求采用低 PRF。星載雷達高分寬幅成像矛盾在于對PRF的選擇提出了截然相反的要求。筆者團隊先后提出基于FDAMIMO的SAR系統高分辨寬測繪帶成像距離解模糊方法和基于空間-脈沖相位編碼技術的HRWSSAR成像新方法。

        頻率分集陣列發(fā)射導向矢量具有距離和角度二維依賴性,可表示為

        其中,fR為距離頻率,fa為角度頻率,R為距離,θ為方位角度。由于方位角度的不同,相距Ru的距離模糊目標,其空間頻率相差

        其中,u ∈N為整數部分,q ∈[0,1]為小數部分。FDAMIMO雷達通過形成距離依賴的發(fā)射方向圖,因此不同距離的目標在空間頻率域完全重疊,如圖8所示。

        圖8 FDA雷達距離模糊信號的空間譜Fig.8 Spatial spectrum of range ambiguious signals for FDA radar

        由于采用正交波形,對原始數據進行匹配濾波可恢復FDA的發(fā)射自由度。進行接收波束形成以及距離依賴性補償,使回波信號在空間頻率域區(qū)分開。通過對補償后的數據進行發(fā)射波束形成,實現對距離模糊信號的抑制,從而提取各距離區(qū)域的回波信號。對其進行傳統成像處理即可得到無距離模糊的高分辨寬測繪帶SAR圖像[85]。

        采用空間-脈沖相位編碼技術解決高分辨寬測繪帶成像距離解模糊[82],首先,通過仿真模擬計算確定SAR系統參數,并基于所確定的距離區(qū)域覆蓋數來設計良好的編碼方案。其次,根據所設計的編碼方案,沿著慢時間對每個發(fā)射通道所發(fā)射的脈沖進行相位編碼。發(fā)射陣元和脈沖間采用如圖9(a)所示一般編碼方式。此外,還可采用一種更靈活的編碼方法,如圖9(b)所示,通過對編碼相位矩陣的優(yōu)化設計,可獲取更好的模糊雜波分離效果。

        圖9 EPC相位編碼方案Fig.9 Phase coding scheme for EPC

        對接收到的回波數據做匹配濾波處理,將不同發(fā)射通道的發(fā)射脈沖所對應的回波進行距離匹配濾波并分離發(fā)射信號。針對每個距離區(qū)域的回波數據分別進行解碼操作,可得到對應不同距離區(qū)域的P組回波數據。利用解碼后的回波數據進行發(fā)射波束形成,分別提取出不同距離區(qū)域的主瓣回波數據,如圖10所示。采用傳統的 SAR 成像算法對所提取的主瓣回波數據進行成像處理,便可得到由各個距離區(qū)域SAR圖像所組成的HRWS-SAR圖像。

        圖10 距離模糊回波分離方法Fig.10 Separation method for range ambiguious echo

        3.4 頻率分集MIMO雷達雜波抑制

        高速平臺前視陣雷達在動目標檢測過程中面臨強大的雜波干擾,一方面,前視陣雷達雜波具有顯著的距離依賴性,近程與遠程雜波分布特性差異較大;另一方面,由于平臺高速運動導致主雜波嚴重擴展,雷達需提高脈沖重復頻率(PRF)來降低雜波多普勒模糊,但這將導致雜波發(fā)生多重距離模糊,如圖11所示。因此,當二者同時存在時,近程雜波與遠程雜波相互疊加,雷達雜波抑制性能將嚴重下降。

        圖11 機載雷達距離模糊雜波區(qū)域幾何示意圖Fig.11 Geometric configuration of range ambiguity clutter for airborne radar

        FDA雷達通過在陣元之間引入微小的載頻偏移,等效地在發(fā)射端引入了隨時間變化的發(fā)射權值,能夠形成角度、距離、時間依賴的發(fā)射方向圖,利用該距離角度依賴的方向圖來改善距離模糊的STAP算法,通過距離維自由度分離不同距離的模糊雜波,再在發(fā)射方向圖形成零陷來抑制距離模糊的雜波回波,最后通過傳統雜波補償算法對齊觀察區(qū)域的距離依賴性雜波[39–41]。傳統相控陣雷達目標淹沒在近程雜波中,無法檢測到,如圖12(a)和圖12(c)所示。在FDA雷達中,利用FDA距離角度耦合特性,將近程雜波平移到兩端,從而避免近程模糊雜波對目標檢測的影響,如圖12(b)和圖12(d)所示。

        圖12 距離模糊雜波功率譜示意圖Fig.12 Power distribution of range ambiguity clutter

        圖13給出了雜波抑制改善因子隨多普勒的變化曲線。由圖13可見,對于傳統相控陣雷達改善因子性能在模糊距離區(qū)主瓣雜波和無模糊距離區(qū)主瓣雜波的性能下降嚴重。FDA雷達中,由于雜波在空間頻率域實現了分離,因此對于無模糊距離區(qū)目標檢測,改善因子僅在無模糊距離區(qū)主瓣雜波處存在凹口。FDA距離模糊雜波抑制方法,利用頻率分集陣列發(fā)射導向矢量的距離角度依賴性,在空間頻率域可以有效地分離距離模糊雜波。將雜波分離技術與傳統雜波譜補償方法相結合,顯著提升了距離模糊雜波抑制的性能。由于FDA雷達能夠在空間頻率域將無模糊距離區(qū)雜波與模糊距離區(qū)雜波分開,因此能有效提高非均勻雜波抑制性能。

        圖13 雜波功率譜IF曲線Fig.13 IFcurve of clutter power spectrum

        3.5 波形分集陣列雷達原理樣機試驗驗證

        為了對波形分集陣列雷達的相關技術進行演示與驗證,本團隊自主開展了波形分集陣列雷達原理樣機研制,如圖14所示,解決多通道波形產生、雷達發(fā)射機頻率步進信號調制、多通道獨立基帶包絡信號調制以及多通道信號接收機高速數據采集、緩存、傳輸、存儲等問題。采用上位機+系統邏輯控制器的研制方案,實現系統配置、多種工作模式靈活控制。研制了多通道發(fā)射-接收射頻組件與天線系統,設計了多通道發(fā)射與接收的校正網絡。實測數據處理表明該部雷達實現了雜波抑制、動目標檢測和抗主瓣欺騙式干擾等功能。在西安電子科技大學南校區(qū),搭建了波形分集陣列雷達試驗場,開展了雷達外場/內部校正、抗主瓣干擾試驗、抗多樣式干擾試驗。如圖15所示,實驗設備包括一部架設在高樓上的雷達原理樣機,裝載在運動汽車上的主瓣欺騙式干擾機以及位于旁瓣的干擾站。實際外場測試場景如圖16所示。試驗的雷達參數如表3所示。

        表3 雷達系統參數Tab.3 Parameters of radar

        圖14 原理樣機組成部件Fig.14 Components of principle prototype

        圖15 外場試驗場景及要素Fig.15 Experiment scenarios and elements

        圖16 實際外場測試場景Fig.16 Scenario of the actual outfield experiment

        目前該部雷達具備相控陣、普通MIMO和EPC這幾種發(fā)射模式。由于實際地理環(huán)境中高樓比較多,雜波回波能量較強且沿距離單元分布不均勻。如圖17所示,強雜波沿距離維成塊出現,本次實驗中雜波主要集中在400~1200 m以及1800~2500 m兩塊區(qū)域,在其他區(qū)域可近似看成是噪聲。通過對比各種體制雜波抑制前后的結果,雜波均得到較好的抑制,說明了EPC雷達和PA,MIMO雷達一樣具備雜波抑制和動目標檢測能力。但由于不同體制下目標輸出功率不同,對波形分集陣列雷達和傳統體制的雜波抑制性能對比,有待進一步研究。

        圖17 雜波抑制結果Fig.17 Results of clutter suppression

        通過裝載在目標上的欺騙式干擾機,產生時延和多普勒調制的假目標。設置雷達工作模式為相控陣模式、MIMO模式和EPC模式,錄取真實運動目標與地物雜波回波加干擾信號的實測數據。對實測數據進行MTD和抗干擾處理,觀察抗主瓣干擾效果,如圖18所示。實測數據處理表明,EPC模式下可實現主瓣欺騙式干擾有效抑制,與PA雷達或MIMO雷達相比,干擾抑制性能提升50 dB。

        圖18 干擾抑制結果Fig.18 Results of interference suppression

        4 波形分集陣列雷達發(fā)展趨勢與應用展望

        波形分集陣列雷達增加了發(fā)射維系統自由度,在抗干擾、檢測等方面比傳統相控陣/MIMO雷達性能更優(yōu),是雷達體制演化的一個重要方向,具有重要的研究意義。結合現有波形分集的部分研究進展,筆者認為在以下幾個方面仍需開展進一步的研究工作。

        4.1 波形分集陣列雷達方向圖調控

        波形分集體制的發(fā)射方向圖與相控陣雷達不同,具有全/部分空域覆蓋特性,不同的波形分集體制波束也有差異,比如FDA和TDA具有距離依賴特性,而EPC不依靠距離角度耦合即可實現發(fā)射分集。通過設計接收端的角度-時間二維匹配濾波器,在接收端形成等效發(fā)射多波束,獲得發(fā)射自由度,實現時空二維多波束相參處理。因此,后期研究需結合電磁場幅度和相位的分布特性,深入分析波形分集陣列發(fā)射分集優(yōu)勢,揭示其電場分布差異的物理本質,使雷達具備更強的抗干擾、雜波抑制能力,適應未來對雷達探測性能提升的需求。

        4.2 發(fā)射天線波形分離

        FDA-MIMO雷達和EPC-MIMO雷達同時具有發(fā)射波形分集和MIMO雷達的雙重優(yōu)勢。由于結合MIMO雷達,需要在接收端對發(fā)射波形進行分離,從而提取出距離維的可控自由度,而實際中多通道波形互相關會對雷達系統性能造成影響。同樣,非理想正交波形之間的相互干擾也將會給SAR圖像的質量造成不同程度的影響。特別是對于山地、沙漠以及城市等大面積散射較強的SAR場景,上述干擾將嚴重影響成像質量,甚至很難從所獲得的SAR圖像中辨別地貌特征。考慮到實際中的正交波形難以滿足在任意延遲時間、任意多普勒頻移條件下互相關為零的條件,加之MIMO雷達中的空間角度因素不可忽略,波形設計與優(yōu)化問題是一個關鍵技術難題。未來可開展多維(時間維、頻率維、角度維)空間中的非凸優(yōu)化問題研究,同時結合波形恒模特征等系統約束,進行波形分集陣列雷達正交波形設計。

        4.3 距離-角度-多普勒多維域聯合處理

        筆者認為,波形分集陣列的主要優(yōu)勢在于發(fā)射維自由度可控。因此,將發(fā)射維聯合接收維、距離、多普勒、極化等可以提高雷達系統資源的靈活性,多維域信號處理新方法是未來雷達獲取目標信息的發(fā)展方向。而目前,在對于發(fā)射維還需要深入挖掘發(fā)射自由度,包括但不局限于距離、編碼自由度。研究波形分集雷達多維域中的信號分布,重點解決多維域中發(fā)射維自由度的利用與信息的提取問題,以期解決在復雜背景下的波形分集雷達系統目標檢測、雜波抑制和抗干擾問題。

        4.4 脈內欺騙式干擾抑制

        對于脈間欺騙式干擾,現有波形分集技術可以實現很好的抑制效果。然而隨著數字射頻采集與存儲轉發(fā)技術的快速發(fā)展,脈內快速轉發(fā)欺騙式干擾將會嚴重影響雷達目標探測性能。由于波形分集陣列可以在發(fā)射維形成距離可控自由度,因此,波形分集技術依然是對抗脈內快速轉發(fā)干擾的有效途徑。因此,需對距離維自由度的物理概念深入研究,明確發(fā)射方向圖距離角度耦合的解釋,進一步挖掘相干FDA可控自由度的資源。

        4.5 多維參數聯合捷變抗干擾

        通過頻率捷變,實現載頻無規(guī)律跳轉及大帶寬能力,可對抗瞄準式噪聲干擾、轉發(fā)式假目標前拖欺騙干擾、跨脈沖重復周期欺騙式假目標和部分拖曳式干擾。通過波形捷變,使得相鄰脈沖間波形正交,跨脈沖重復周期的假目標欺騙干擾無法進行時域脈沖壓縮。相鄰脈沖頻率捷變,跨脈沖重復周期的假目標欺騙式干擾無法進行方位向積累。發(fā)射隨機的極化編碼序列,可以抑制固定極化發(fā)射的欺騙干擾。聯合頻率、極化、波形和重頻捷變,不僅提高了雷達的抗偵收和低截獲能力,同時對于干擾信號的抑制效果更好。

        4.6 相控陣/波形分集陣列雙模雷達體制

        波形分集陣列雷達發(fā)射波束覆蓋范圍廣,根據能量守恒,其反射信號回波的能量相比相控陣較弱,因此,該體制的弊端是回波信號的信噪比較低。如果結合相控陣的高增益特性,構建相控陣和波形分集陣列雙模同時工作模式,發(fā)揮各自優(yōu)勢,合理利用雙模信息融合的技術方向,有望提升抗干擾、雜波抑制、目標高分辨等方面的性能。

        5 結論

        發(fā)射分集技術改變了傳統雷達獲取信息的方式,是雷達技術創(chuàng)新的重要途徑。波形分集陣列有別于相控陣雷達和MIMO雷達,通過合理的發(fā)射頻率、時間、脈沖參數調控,依靠距離-角度二維聯合發(fā)射波束形成技術,獲得了額外的發(fā)射維可控自由度,采用發(fā)射-接收聯合多維信號處理方法,增加了雷達系統信號處理的維度,在抗主瓣欺騙式干擾、距離模糊雜波抑制和高分寬幅成像等方面,提升了雷達系統性能。

        未來隨著波形分集陣列方向圖調控、發(fā)射波形分多維域聯合信號處理、多維參數聯合捷變、相控陣-波形分集陣列雙模融合檢測等分項技術的日趨成熟,波形分集陣列新體制及其相關技術,將廣泛應用于地??仗炱脚_雷達的更新換代,依靠體制進步,提升雷達的多維探測能力。

        猜你喜歡
        雜波波束波形
        STAR2000型空管一次雷達雜波抑制淺析
        對《壓力容器波形膨脹節(jié)》2018版新標準的理解及分析
        毫米波大規(guī)模陣列天線波束掃描研究*
        通信技術(2019年3期)2019-05-31 03:19:08
        基于LFM波形的靈巧干擾效能分析
        測控技術(2018年2期)2018-12-09 09:00:46
        圓陣多波束測角探究
        電子測試(2018年6期)2018-05-09 07:31:54
        Helix陣匹配場三維波束形成
        基于ARM的任意波形電源設計
        大連臺使用CTS-1記錄波形特點
        密集雜波環(huán)境下確定性退火DA-HPMHT跟蹤算法
        相關廣義復合分布雷達海雜波仿真
        遙測遙控(2015年2期)2015-04-23 08:15:22
        中文亚洲爆乳av无码专区| 久久中文骚妇内射| 精品国产拍国产天天人 | 亚洲红杏AV无码专区首页| 亚洲国产91精品一区二区| 精品国产sm最大网站| 亚洲人成未满十八禁网站| 亚洲欧美日韩专区一| 美女露屁股无内裤视频| 成人av综合资源在线| 特级做a爰片毛片免费看| 日韩a无v码在线播放| 精品国产91久久综合| 韩国黄色三级一区二区| 亚无码乱人伦一区二区| 国产av精国产传媒| 国内自拍偷拍亚洲天堂| 国产视频一区2区三区| 日本一道综合久久aⅴ免费| 69久久夜色精品国产69| 天天射色综合| 99久久婷婷亚洲综合国产| 337p日本欧洲亚洲大胆| 青青草国产成人99久久| 中文字幕一区二区三区97| 国产av一区二区三区在线播放| 成人毛片无码一区二区三区| 一级二级中文字幕在线视频| 国产精品亚洲精品日韩动图| 少妇被粗大进猛进出处故事| 国产二级一片内射视频插放| 国产v综合v亚洲欧美大天堂| 日本高清在线播放一区二区| 成人免费看aa片| 精品国产一区二区三区久久久狼| 国产区高清在线一区二区三区| 精品粉嫩av一区二区三区| 久久精品国产亚洲av麻豆| 免费观看一区二区| 国产我不卡在线观看免费| 国产精品毛片无遮挡|