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《南京航空航天大学》 2017年
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机载雷达组网射频隐身技术研究

时晨光  
【摘要】:随着当今网络与信息技术的发展,战场系统网络化是未来战争的基本形态,未来变革的方向是“以传感器为中心的战争”转化为“以网络为中心的战争”,单部雷达或多部雷达的简单组合、叠加已不能满足联合作战的需要。机载雷达组网依托网络化的传感器系统,通过信息融合为指挥员提供实时、透明的空间感知,是未来雷达装备的发展方向。然而,敌方无源探测系统对机载雷达组网的战场生存能力和突防能力构成了严重威胁。在此背景下,本文主要讨论如何根据目标信息合理地设计雷达发射机工作参数,进而在满足目标探测和跟踪性能的条件下提升系统的射频隐身性能。在充分了解国内外相关研究现状的基础上,本文从发射功率分配、资源管理、波形设计及优化等方面,对机载雷达组网系统的射频隐身性能进行了深入的研究,并对基于外辐射源机载雷达组网系统的发射机选择问题进行了初步探讨。本论文的主要研究内容如下:1、研究了机载雷达组网跟踪模式下基于射频隐身的功率分配算法。首先,本文针对雷达组网系统的检测概率和虚警概率不具有闭式解析表达式的情况,采用信息理论中的Bhattacharyya距离、Kullback-Leibler(KL)散度和J散度作为表征目标跟踪过程中检测性能的衡量指标,并分别推导了其解析表达式。然后,建立了机载雷达组网跟踪模式下基于射频隐身的功率分配模型,该优化模型以最小化雷达发射功率的最大值为目标,在满足目标跟踪性能要求的前提下,根据目标运动状态,动态地调整各雷达的发射功率,以达到提升机载雷达组网射频隐身性能的目的。最后,采用基于非线性规划的遗传算法(Nonlinear Programming Based Genetic Algorithm,NPGA)对此非凸、非线性约束优化问题进行求解。仿真结果表明,与传统单站相控阵雷达和未优化的雷达组网系统相比,该算法具有更好的射频隐身性能。2、研究了机载雷达组网跟踪模式下基于射频隐身的资源管理问题。本文考虑由一部共用雷达发射机和多部接收机组成的机载雷达组网系统,针对该系统跟踪模式下的射频隐身问题,提出了基于射频隐身的机载雷达组网资源管理算法。首先,本文推导了无源探测系统对机载雷达组网的截获概率。在此基础上,建立了基于射频隐身的机载雷达组网资源管理模型,该模型以最小化系统截获概率为优化目标,以目标跟踪误差、检测性能及系统发射资源为约束条件,通过求解该问题,对雷达发射机采样间隔、驻留时间和发射功率进行优化,从而提升机载雷达组网的射频隐身性能。仿真结果表明,与现有算法相比,该算法可在保证良好目标跟踪精度的前提下,有效提升系统的射频隐身性能。3、研究了基于射频隐身的机载雷达组网雷达波形设计算法。首先,本文建立了针对机载雷达组网系统的扩展目标信号模型,并据此分别推导了表征目标检测性能的信干噪比(Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio,SINR)表达式和表征参数估计性能的互信息(Mutual Information,MI)表达式。然后,分别提出了基于SINR准则和MI准则的机载雷达组网最优雷达波形设计算法,即在满足一定系统性能的条件下,通过优化各雷达发射波形,最小化雷达组网系统总发射能量,并采用Karush-Kuhn-Tucker(KKT)条件对优化问题进行了求解。现有雷达波形设计方法都假设已知目标的真实频率响应等先验信息,然而,在实际中,目标的真实频率响应却很难获得。针对上述问题,本文将目标的真实频率响应建模为上、下界已知的不确定集合,在此基础上,分别提出了基于SINR准则和MI准则的机载雷达组网稳健雷达波形设计算法。最后,仿真结果表明,所提算法可有效提升机载雷达组网的射频隐身性能,而且,在目标真实频率响应未知的情况下,稳健雷达波形设计算法可保证系统射频隐身性能的最优下界。4、研究了雷达与通信系统在频谱共享环境下基于射频隐身的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)雷达波形设计算法。首先,在考虑通信系统发射信号、目标相对于雷达和通信系统的频率响应以及路径传播损耗等信息先验已知的情况下,根据经目标反射到达雷达接收机的通信信号被当作有用信号、干扰信号和无用信号,本文分别提出了三种相应的基于射频隐身的最优OFDM雷达波形设计算法,即在保证一定的MI门限和通信系统信道容量的条件下,通过优化设计OFDM雷达发射波形,最小化雷达系统发射功率。然后,采用KKT条件对此凸问题进行了求解。然而,实际中难以获得目标的真实频率响应。本文假设目标相对于雷达和通信系统的频率响应属于上、下界已知的不确定集合,并基于此模型,提出了基于射频隐身的稳健OFDM雷达波形设计算法。仿真结果表明,利用经目标反射到达雷达接收机的通信信号可有效提升雷达系统的射频隐身性能。另外,稳健OFDM雷达波形设计算法可在目标真实频率响应未知的情况下确保雷达系统射频隐身性能的最优下界。5、研究了基于调频(Frequency Modulation,FM)广播信号的外辐射源机载雷达组网发射机选择算法。首先,从理论上分析了外辐射源雷达的工作原理,并对基于FM广播信号的外辐射源机载雷达组网系统进行了可行性分析,建立了相应的系统模型。在此基础上,推导了采用最大似然估计方法的莱斯起伏目标参数估计精度,即克拉美-罗下限(Cramér–Rao Lower Bound,CRLB),并通过仿真分析了目标相对外辐射源机载雷达组网空间位置关系及FM信号参数对目标估计CRLB的影响。最后,以莱斯目标参数估计的CRLB为代价函数,提出了两种基于FM外辐射源机载雷达组网的发射机选择算法,一种是在给定目标参数估计CRLB门限的条件下,最小化FM外辐射源信号发射机的数目,另一种是在FM外辐射源信号发射机数目给定的条件下,最小化目标参数估计的CRLB,分别建立了相应的最优发射机选择模型,并用贪婪启发式算法对两种优化模型进行了求解。仿真结果表明,所提算法不仅可以在系统资源有限的情况下提升目标的参数估计精度,而且大大减小了计算量。
【学位授予单位】:南京航空航天大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN959.73

【参考文献】
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