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认知雷达干扰抑制与波形设计技术研究

熊伟  
【摘要】:基于数字射频存储器,现代干扰机能够实现对雷达信号的精确复制和再现,雷达欺骗干扰“衍生”的相干假目标在雷达接收机中易获较大的相干处理能量,假目标与真实目标在时域、空域和频域的特征非常相似,严重影响着雷达对真实目标的检测、跟踪和参数估计性能,且容易丢失雷达目标、消耗雷达资源以及制造异常空情等。认知雷达技术赋予了雷达系统深度感知环境、智能利用环境信息、自主优化发射(包括波形、极化、频率等)等能力,能够显著提升雷达系统在复杂电磁环境下的抗干扰能力。针对认知雷达的综合抗干扰问题,本文从干扰抑制滤波器设计和波形设计两个方面开展了相关研究工作,以增强雷达系统与外部电磁干扰环境的信息交互,提升复杂电磁环境下雷达系统的探测能力。本文的主要研究内容和创新性如下:(1)引入了极化域特征,提出了一个空域-极化域斜投影算子以抑制脉冲多普勒(Pulse-Doppler,PD)雷达的欺骗干扰。考虑到待检测的真实目标和欺骗假目标可能来自不同/相同的空间角度,但其具有不同的极化参数。本文基于极化敏感阵列,采用三线性交替最小二乘算法估计真实目标和假目标的空间角度和极化特征参量,利用两者在空域-极化域内的差异,设计了一种空域-极化域斜投影算子,将雷达接收到的混合回波投影到目标回波子线性空间,以保留目标回波,同时抑制欺骗干扰。相比传统的极化滤波器,该空域-极化域斜投影算子不仅可以有效抑制雷达旁瓣欺骗干扰,而且可以抑制主瓣欺骗干扰,对参数测量误差也有较强的容错性,适用于不同脉宽,不同占空比的雷达波形。(2)针对宽带相干间歇采样转发干扰(Interrupted Sampling Repeater Jamming,ISRJ),本文基于目标回波与ISRJ的时频域能量分布特征差异,提取干扰机间歇采样时间段内的雷达回波,设计了一种有效的通带滤波器和干扰抑制方案。抑制后的雷达回波与真实目标回波的高分辨一维距离像非常相似,具有较大的相似系数和信号有源干扰噪声比(Signal-to Jamming-plus-Noise Ratio,SJNR)改善因子。仿真实验分别从不同阶数、不同延迟时间、不同信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)和不同干扰工作比等四个方面验证了所提通带干扰滤波器对抗宽带ISRJ的有效性,实验结果表明当De-Chirp ISAR输出SNR25d B时,在不同阶数ISRJ干扰下,滤波器输出回波的相似系数均大于0.8,SJNR改善因子大于15d B。(3)复杂干扰环境下,面向多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)雷达基于压缩感知(Compressive Sensing,CS)估计目标波达角(Direction of Arrive,DOA)问题,提出了三种空间滤波测量矩阵(Spatial Filter Measurement Matrix,SFMM)的设计方案,以解决雷达感兴趣区有源干扰和旁瓣信号源干扰/杂波联合抑制问题。该方案在联合抑制上述干扰的同时,能够准确测量真实目标的DOA,即使分布式有源干扰与真实目标回波具有相同的DOA,且普适性更强,同样适用于仅考虑旁瓣信号源干扰/杂波的抑制问题。仿真实验表明,设计的第三种SFMM针对有源干扰的凹口衰减增益大于85d B,同时针对信号源的旁瓣衰减增益均大于30d B,当SNR5d B,目标DOA估计均方根误差小于1°。(4)提出了一种自适应初始相位脉冲分集设计方法以对抗PD雷达的速度欺骗干扰。通过优化受干扰时雷达回波的多普勒谱,自适应设计脉冲分集波形的初始相位,使得在受干扰真实目标的频率附近形成阻带凹口,同时采用不同整数倍脉冲重复周期(Pulse Repetition Interval,PRI)延时的多通道处理技术来估计真实目标和虚假目标的距离和多普勒参数,特别是转发干扰延迟PRI数。整个算法核心部分可基于快速傅立叶变换实现,使得雷达波形实时更新成为可能。仿真实验表明,该抗干扰波形设计方法由于在真实目标附近形成频率阻带凹口,提高了恒虚警检测的SJNR,同时也将有助于微弱目标的检测。(5)针对集中式MIMO雷达部分相关波形设计问题,分别基于发射方向图综合和以接收滤波器输出信号的信干噪比最大化为设计准则,提出了两种波形设计方案和一类Toeplitz矩阵式发射波形协方差矩阵(Transmit Waveform Covariance Matrix,TWCM)的设计方法。基于发射方向图综合,本章首先建立了TWCM优化设计模型,并将其松弛为一个凸优化问题求解;其次,为了克服了传统TWCM设计迭代算法对初始值敏感和容易陷入局部最优的缺点,研究了TWCM转化为其平方根矩阵的间接重构问题,将TWCM设计的非凸优化模型转化为一个目标优化函数,并采用粒子群算法进行编码求解,仿真实验表明,该方法比TWCM迭代优化算法至少提高3d B;最后,提出了一类对称Toeplitz矩阵式的TWCM,从数学上严格证明了TWCM的满秩特性,满秩特征保证了基于TWCM设计的波形能够充分发挥MIMO雷达的波形分集优势,能够抑制更多的干扰源。同时,理论上证明了可以采用二进制相移键控波形合成MIMO雷达发射波形,并推导出TWCM控制参数与接收输出信号最大SINR关系式等,认知MIMO雷达可以根据对目标/干扰源/杂波的角度、回波强度等环境信息的感知程度,自适应选择合适的TWCM,在线实时更新集中式MIMO雷达发射波形,因此该波形设计方案对抗旁瓣干扰的灵活性和适应性更强。


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