【摘要】：雷達通過發(fā)射并接收電磁信號獲得目標的位置及運動信息。為了獲得足夠高的距離分辨率,傳統(tǒng)雷達通常需要占用一段連續(xù)的較寬的頻帶。然而,隨著電磁用戶數(shù)量以及各用戶對頻譜帶寬需求的持續(xù)增長,雷達將不可避免的和其它電磁波用戶工作在同一頻帶,這增加了雷達與其它用戶相互干擾的可能性。為了保證雷達在頻譜擁堵環(huán)境下的頻譜兼容性,雷達系統(tǒng)需要避開存在較強干擾以及其它高優(yōu)先級用戶工作的頻點/段,而這會不可避免的破壞發(fā)射波形的自相關(guān)函數(shù)性能。為此,現(xiàn)代雷達系統(tǒng)需要更好的“認知”工作環(huán)境,并充分利用發(fā)射波形的各種自由度以保證自身的性能。為實現(xiàn)該目的,本課題分析了頻譜擁堵環(huán)境下雷達發(fā)射波形的性能,提出了優(yōu)化波形參數(shù)的算法,并實現(xiàn)了若干種不同形式波形的優(yōu)化設(shè)計。在對波形的性能分析方面,本論文建立了給定工作頻帶下對發(fā)射信號距離分辨率與距離旁瓣水平的評估體系,提出了快速預(yù)測這兩者的方法。在該工作中,我們將這兩者均描述為信號功率譜的函數(shù),建立了對應(yīng)的優(yōu)化問題。借助拉格朗日法,本論文推導(dǎo)給出了最優(yōu)功率譜的解析表達式進而實現(xiàn)了對其最優(yōu)性能的預(yù)測�；谠摴ぷ�,雷達系統(tǒng)可以更好的“解讀”外界頻譜環(huán)境,進而更智能的工作。在對發(fā)射波形參數(shù)的優(yōu)化算法方面,本論文分析了波形不同指標優(yōu)化問題的共性,將其統(tǒng)一的描述為頻譜優(yōu)化問題。本論文使用信號功率譜與指定功率譜模板的殘差作為統(tǒng)一的性能指標,并使用共軛梯度法最小化該指標以獲得具有不同期望性能的波形。在此基礎(chǔ)上,本論文推導(dǎo)給出了使用FFT快速計算上述功率譜殘差及對應(yīng)梯度的方法,大大降低了最小化該指標的計算復(fù)雜度。借助標量化方法以及鏈式法則,所提方法同樣可以靈活的應(yīng)對需要同時兼顧多個設(shè)計目標的復(fù)雜優(yōu)化問題。該工作奠定了本課題對多種不同形式波形優(yōu)化設(shè)計的算法基礎(chǔ)。在具體的波形設(shè)計方面,本論文分別提出了頻譜擁堵環(huán)境下的PCFM(Polyphase-Code Frequency Modulation)波形、脈間分集波形、頻率捷變波形的優(yōu)化方案。PCFM波形是近些年剛被提出的一種脈內(nèi)快時間調(diào)制波形。由于具有恒定的幅度包絡(luò)及連續(xù)變化的相位調(diào)制函數(shù),PCFM波形可以最大化雷達平均發(fā)射功率并有效控制其頻譜旁瓣。針對現(xiàn)有設(shè)計PCFM波形的方案大多比較復(fù)雜、耗時的問題,本論文提出了一種基于內(nèi)插重構(gòu)的設(shè)計方案,將對PCFM波形的優(yōu)化轉(zhuǎn)化為對其均勻采樣序列的最優(yōu)設(shè)計問題。進一步的,本論文將PCFM波形采樣序列的優(yōu)化描述為對其功率譜的擬合問題,進而使用本課題提出的頻譜優(yōu)化工具實現(xiàn)快速求解�；诒菊n題對頻譜擁堵環(huán)境下雷達波形性能的分析,我們可以通過選取合適的目標功率譜模板實現(xiàn)對最終PCFM波形距離分辨率及距離旁瓣水平的綜合控制。實驗結(jié)果表明,設(shè)計獲得的PCFM波形在具有非�！案蓛簟钡念l譜旁瓣的同時,可以有效抑制與帶內(nèi)其它用戶的相互干擾并保證自相關(guān)函數(shù)性能。脈間分集波形指的是一個信號積累周期內(nèi)發(fā)射波形不斷變化的波形。由于具有更高的自由度,脈間分集波形比相參脈沖串信號具有更強的抗干擾能力。此外,當外界頻譜環(huán)境在一個積累周期內(nèi)發(fā)生較大變化時,脈間分集波形也是自適應(yīng)雷達系統(tǒng)保證自身工作性能的必然選擇。鑒于此,本課題建立并提出了時變頻譜環(huán)境下自適應(yīng)脈間分集波形的設(shè)計模型及設(shè)計方案。在設(shè)計過程中,本論文考慮發(fā)射脈沖分別為相位編碼信號和PCFM波形兩種情況,并提出了對應(yīng)的同時優(yōu)化信號頻譜兼容性與自相關(guān)函數(shù)性能的方法。區(qū)別于大部分已有研究的,本論文在優(yōu)化信號自相關(guān)函數(shù)性能時需要綜合考慮已發(fā)射脈沖信號的特性,而非孤立的優(yōu)化即將發(fā)射的波形。由于采用了全局的設(shè)計視角,所提設(shè)計方案在時變頻譜環(huán)境下可以獲得比傳統(tǒng)方案更好的整體性能。頻率捷變波形是一種脈間頻率分集信號,相較于脈內(nèi)快時間調(diào)制波形,其優(yōu)勢在于可以在不增加系統(tǒng)瞬時帶寬及采樣率等硬件需求的條件下獲得大的距離分辨帶寬。此外,通過恰當?shù)姆峙湫盘柊l(fā)射頻率,雷達系統(tǒng)可以在避免相互干擾的情況下獲得盡可能低的距離旁瓣水平。然而,由于頻率捷變信號的優(yōu)化問題是高度非凸的,如何快速的獲得全局最優(yōu)的發(fā)射頻率組合一直以來都是十分棘手的問題。針對該問題,本文分兩步實現(xiàn)了對發(fā)射頻率的快速最優(yōu)設(shè)計。在第一步中,本論文借助凸優(yōu)化以多項式復(fù)雜度求得具有期望自相關(guān)特性的幅度函數(shù),進而以不同密度分配發(fā)射頻率模擬該幅度函數(shù)以獲得對原始問題最優(yōu)解的近似估計。在第二步中,本論文使用梯度方法對獲得的近似解進行局部優(yōu)化,最終獲得(準)最優(yōu)解。實驗表明,所提設(shè)計方法可以以極少的運算時間實現(xiàn)對頻率捷變信號的最優(yōu)設(shè)計。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN958
【圖文】：

圖 2-3 不同折中因子 下最優(yōu)功率譜密度及對應(yīng)自相關(guān)函數(shù)ig. 2-3 Optimal PSDs and corresponding ACFs under different trade-off factors c) Close-up of the ACF responses close to the mainlobe×10-6

圖 2-6 不同頻譜凹陷水平下的最優(yōu)功率譜密度以及對應(yīng)Fig. 2-6 Optimal PSDs and bounds on IME and ISE under differ其次，我們可以看到在給定的工作頻帶結(jié)構(gòu)下，隨著頻譜獲得的 ISE 旁瓣性能變差，而可獲得距離分辨率性能卻在改的變差是在預(yù)料之內(nèi)的，而為了解釋距離分辨率的改善，這a) Optimal PSDs b) achievab

圖 3-1 兩種不同權(quán)重因子下的優(yōu)化序列功率譜Fig. 3-1 Power spectrum of optimized sequences under two different trade-off factors在第一個試驗中，權(quán)重因子分別為1=1 與2=0，即僅抑制信號的頻譜上包在該實驗中，所用 PR-CGM+經(jīng)過 4265 次迭代終止，圖 3-1a 給出了輸出序列率譜密度。從該圖可以看到，優(yōu)化后序列在 Ω 范圍內(nèi)頻譜上包絡(luò)很好的逼近了a)1=1，2=0 b)1=1，2= 2×10-5

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