复杂环境下雷达抗干扰及多功能一体化波形设计方法研究.pdf
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1、960 Radio Communications TechnologyVol.49 No.5 2023doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2023.05.023引用格式:范文,李淳泽,赵勇,等.复杂环境下雷达抗干扰及多功能一体化波形设计方法研究J.无线电通信技术,2023,49(5):960-970.FAN Wen,LI Chunze,ZHAO Yong,et al.Radar Anti-jamming and Multifunctional Integrated Waveform Design in Spectrum-dense EnvironmentJ.Radio C
2、ommunications Technology,2023,49(5):960-970.复杂环境下雷达抗干扰及多功能一体化波形设计方法研究范 文,李淳泽,赵 勇,张 航(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081)摘 要:现代战争中敌我双方各种武器装备所辐射的高密度、高强度、多频谱的电磁波,民用电磁设备的辐射以及自然界产生的电磁波等导致了雷达面临的电磁频谱环境越来越复杂和拥挤。为使雷达在复杂电磁环境中能有效工作,从波形设计的角度出发,分析了雷达波形设计必须考虑的约束条件和常用的波形性能度量指标,总结了近年来针对不同应用场景需求和复杂电磁环境下的多输入多输出(Multiple
3、 Input Multiple Output,MIMO)雷达(多波形)和单输入单输出(Single Input Single Output,SISO)雷达(单波形)波形设计的建模思路和优化手段,将建模思路和优化手段扩展用多功能一体化(探通、探干等)波形设计。建模思路和优化手段可为未来复杂电磁环境下雷达抗干扰波形设计以及多功能一体化信号设计提供参考和依据。仿真实验结果表明,所提算法设计的多功能一体化波形能够在保持指定的通信需求的同时达到理想的雷达探测性能。关键词:复杂电磁环境;波形设计;优化理论;通感一体化波形设计;多功能一体化波形设计中图分类号:TN95 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标
4、识码(OSID):文章编号:1003-3114(2023)05-0960-11Radar Anti-jamming and Multifunctional Integrated Waveform Design in Spectrum-dense EnvironmentFAN Wen,LI Chunze,ZHAO Yong,ZHANG Hang(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang 050081,China)Abstract:In modern warfare,the use of electronic countermeasures
5、by both sides,together with the high-density,high-intensity,and multi-spectrum electromagnetic waves radiated by various weapons and equipment,the radiation from civil electromagnetic devices,and the electromagnetic waves generated by nature,have led to increasingly crowded and complex electromagnet
6、ic environment faced by radar systems.This paper proposes a waveform design method to address spectrum congestion problem and ensure proper functioning of radar systems in such environment.We first analyze the commonly used constraints and design metrics considered in radar waveform de-sign,and then
7、 formulate and study the waveform design problems and optimization strategies for both Multiple Input Multiple Output(MIMO)radar(multi-waveform)and Single Input Single Output(SISO)radar(single waveform)under different application scenari-os and complex electromagnetic environment.Finally,we present
8、an example formulation problem to demonstrate the application of our modeling and optimization strategies to the design of integrated sensing and communication waveforms.The modeling ideas and optimiza-tion methods proposed in this paper can provide valuable references for radar anti-jamming wavefor
9、m design and multi-functional inte-grated signal design in complex electromagnetic environment.Simulation experimental results show that the multifunctional integrated waveform designed by the proposed algorithm can achieve ideal radar detection performance while maintaining the specified communica-
10、tion requirements.Keywords:complex electromagnetic environments;waveform design;optimization theory;integrated sensing and communication waveform design;multifunctional integrated waveform design收稿日期:2023-05-312023年第49卷第5期无线电通信技术961 0 引言随着卫星、无线电台、电视、雷达、通信、导航等各类服务和系统的广泛使用,不断增长的业务和应用使得有限的频谱资源供需矛盾日益突出,
11、雷达工作的电磁环境也日益复杂。为避免雷达与其他电磁设备的相互干扰,提升雷达在复杂电磁环境的适应能力,需设计行之有效的雷达抗干扰技术1-2。目前雷达抗干扰技术主要解决方案有三类:一是开展电子系统综合一体化的研究,如雷达通信一体化研究,即雷达与通信系统共享同一频谱,同一硬件平台,研究一体化信号设计与处理以及系统集成方案来同时实现探测和通信双功能2-4;二是基于波形设计的研究,即设计雷达波形时有意避开被其他系统所占用或干扰存在的频段,例如在其他系统占用(或干扰存在)的频带形成频谱零陷/凹口等5-7;三是无源态雷达技术,即利用现有用频系统所发射的信号实现目标检测和参数估计8。波形设计技术可使电子系统从
12、发射端即赢得主动,根据系统工作的环境,通过不断调整发射波形以适应日益复杂的电磁环境,从而有效提升系统性能(如通信抗干扰性能,雷达目标检测、跟踪、成像及抗干扰等)。此外,高性能信号处理器件、任意波形产生器等的出现也为实时动态发射波形提供了可能9-12。基于此,本文从波形设计角度开展雷达抗干扰和多功能一体化波形设计方法研究。1 研究现状通常,雷达发射机的线性放大器的动态范围有限,幅度动态范围过大的信号极易进入功率放大器的非线性区域,导致信号产生非线性失真,造成带内信号畸变,进而导致整个雷达系统性能严重下降13-14。因此,为使雷达发射机在饱和状态工作,避免放大器等模拟器件的非线性导致波形失真,雷达
13、系统一般趋向使用恒定幅度(或幅度动态范围较小)的波形。雷达波形需要具备低的自相关和互相关水平以避免接收信号间的相互干扰,此外,雷达需要具备灵活的发射波束图以应对不同探测需求。雷达波形模的幅度约束、自/互相关函数以及波束图均为非线性函数,使得雷达波形设计问题呈现出高维非凸的多约束优化问题,为处理非凸优化问题,本文总结了上界最小化(Majorization-Minimization,MM)方法15和交替方向乘子法(Alternating Direction Method of Multipliers,ADMM)9-10及其在波形设计中使用的思路和技巧。本文还总结了最为典型的发射多波形的多输入多输出
14、(Multiple Input Multiple Output,MIMO)11-12,16-18雷达单波形的单输入单输出(Single Input Single Output,SISO)19-21雷达抗干扰波形设计建模方法和优化策略,以期能为后续雷达抗干扰波形和多功能一体化波形设计研究提供参考和依据。1.1 MIMO 雷达波形设计集中式 MIMO 雷达收发天线单元间间距较近,不同天线单元可独立发射不同波形,典型的集中式MIMO 雷达,各个发射单元发射相互正交的波形14。MIMO 雷达的波形分集特点使其自由度比相控阵雷达更大,例如:当雷达系统需要具备大的作用距离或者对目标进行跟踪时,集中式 MI
15、MO 雷达可切换为每个天线单元发射相同波形的相控阵雷达体制,形成具有高增益的窄波束14;当需要对空域中所有目标进行探测时,集中式 MIMO 雷达可切换为发射正交波形的 MIMO 雷达体制,形成覆盖全方向的宽波束,且通过适当布置发射和接收天线单元的位置可扩展天线的虚拟孔径(发射天线单元和接收天线单元位置的不同所形成的虚拟孔径也不同,M 发 N 收可形成的最大虚拟孔径为 MN)22-23;当目标方位先验已知时,MIMO 雷达可发射介于相干和完全正交之间的部分相关波形,利用波形的相关性完成灵活发射波束图设计,使雷达辐射能量集中于指定方向14。通过灵巧地设计发射波形控制发射波束图,可增强目标回波,抑制
16、背景杂波,显著提高雷达目标检测和参数估计性能22-23。集中式 MIMO 雷达的波形分集特性具备了更高的目标分辨率、更好的参数辨识能力和抗截获能力10,22-23。另外,集中式 MIMO 雷达还可根据雷达工作的电磁环境和目标的动态变化自适应地设计发射波形以提高雷达在复杂多变的战场电磁环境中的适应能力5-8。本文总结了如下两类具有代表性的MIMO 雷达波形设计问题:首先,为保障在频谱密集环境中工作的 MIMO 雷达系统的抗干扰性能24,针对复杂电磁环境下宽带 MIMO 雷达发射波束图设计问题,本文提出了波束图匹配设计优化模型和最小962 Radio Communications Technolo
17、gyVol.49 No.5 2023峰值旁瓣波束图设计优化模型,以生成与复杂电磁环境相适应的 MIMO 雷达波形,进而提升雷达抗干扰性能(见第 3 节模型 12);其次,当需对空域中所有目标进行探测时,MIMO 雷达系统工作模式可切换为发射具有低自相关峰值旁瓣和互相关电平的正交波形,形成覆盖全方向的宽波束5,本文提出了频谱约束条件下的最小自相关峰值旁瓣和互相关峰值电平的波形集设计模型,并根据分块逐次上界极小化(Block Successive Upper-bound Minimization,BSUM)算法框架15给出了求解思路(模型 3)。1.2 SISO 雷达波形设计当 MIMO 雷达所有
18、发射天线发射同样的波形时,MIMO 雷达等价为 SISO 雷达。因此,不同于MIMO 雷达需同时设计多波形,SISO 雷达仅需设计单波形,根据应用场景的不同,本文总结了几类典型的单波形设计问题8:若发射波形的模幅度变化很大,会遭受严重的能量损失或非线性失真12-14。此外,传统的波形频谱赋型方法均基于最小二乘拟合准则6-7,仅仅关注了“总体”平方误差、无法兼顾峰值匹配误差,使得所设计的波形频谱形状可能具有大的峰值阻带水平和大的通带纹波,这对于谱干扰抑制极为不利。为此,本文给出了基于 min-max的频谱赋形优化模型,以同时抑制峰值阻带水平和通带纹波(模型 4)。雷达波形自相关峰值旁瓣水平对高分
19、辨率雷达应用有显著影响6。本文在频谱和幅度约束下构造了自相关旁瓣精确控制模型(模型 5)。在诸如认知雷达24和机载雷达等应用中,除频谱兼容性和波形幅度动态范围要求外,波形还需具有图钉状模糊函数以满足对移动目标探测的需求。为此本文提出最小相似度设计模型以实现具有较低的模糊函数旁瓣水平和指定频谱零陷的探测波形(模型 6)。除上述 MIMO 雷达和 SISO 雷达波形设计建模外,本文还对上述模型的建模机理、求解方法进行了分析,给出了 ADMM、MM 以及 ADMM+MM 三种求解波形设计问题的优化手段和使用技巧。结合波形设计相似性约束的优良特性,本文创新性地将上述建模思路和优化方法应用于多功能一体化
20、波形设计的两个实例(模型 78),以期为未来多功能一体化波形设计提供有价值的参考。2 问题建模思路与优化方法雷达波形设计通常需转化为约束优化问题,约束条件由雷达工作的电磁环境和雷达本身的硬件限制等确定,是设计的前提;而目标函数描述了设计的目标。设计整体思路可分为 4 个基本步骤:根据雷达具体工作环境以及物理硬件限制等,确定波形的约束条件(如波形频谱约束、自相关约束、幅度约束以及功能约束等);根据具体探测任务确定目标函数(如波形模糊函数、MIMO 雷达发射波束图等);根据优化问题的目标函数和约束条件的特性确定优化方法,并针对性的推导有效的求解算法,以获得满足约束条件和设计目标的雷达波形;此步骤中
21、涉及诸多信号处理和数学使用技巧,直接影响着波形设计方法的性能;对算法性能分析和评估,如波形的模糊函数、自相关、频谱兼容性、波束图、算法复杂度和收敛性能等指标。实际设计中约束条件和目标函数相关指标可按需求灵活互换和组合。2.1 常见约束条件设离散化后雷达发射的波形为 x=x1,x2,xNTC CN1。其中,()T表示向量或者矩阵的转置,C C 表示复数域,N 表示波形离散点数。M 个波形(序列)集合x(m)Mm=1也可以写为矩阵的形式 X=x(1),x(2),x(M)TC CNM,其中,x(m)=x1(m),x2(m),xN(m)TC CN1,m=1,2,M。2.1.1 波形幅度约束为避免放大器
22、等模拟器件的非线性导致波形失真,雷达系统一般趋向使用恒定幅度(或幅度动态范围较小)的波形9-11,15。对于 MIMO 雷达而言,由于要求具备多个发射机以发射相互正交或部分相关的波形,每一路发射波形都满足恒定幅度或者具有较低的幅度动态范围将有利于简化雷达系统的硬件设计25。这种幅度约束通常有恒模(Constant Mod-ulus,CM)约束,-不确定集(-Uncertainty Modulus)约束,峰值平均功率比(Peak-to-Average Power Ratio,PAPR)约束和离散相位约束等25-27。C CM M 约约束束:xn=,n=1,2,N,其中,0 表示波形 x 的模。不
23、不确确定定集集恒恒模模约约束束:cn-xncn+(cn2023年第49卷第5期无线电通信技术963 0),其中,cn表示不确定集约束的中心,表示不确定集的不确定度,分别由用户确定。P PA AP PR R 约约束束:PAPR(x)=maxn|xn|2x22/N,其中,1 表示波形 x 幅度的 PAPR 预定义上限值。动动态态范范围围比比约约束束:PAPR 约束仅限制了发射波形的峰值功率和平均功率,使得波形的幅度仍有可能具有很大的动态范围。为提高发射效率,引入动态范围比(Dynamic Range Ratio,DRR)约束27,DRR(x)=maxn|xn|minn|xn|,可以看到 PAPR
24、和 DRR 两个约束比CM 约束更具有一般性,后者只是前两种的特殊情况,即=1 时,PAPR 和 DRR 与 CM 约束等价。离离散散相相位位约约束束:angle(xn)1,2,K,n=1,2,N,其中,1,2,K为固定的离散相位。相相似似性性约约束束:在机载雷达及其他应用12中,除幅度动态范围约束外,雷达波形还需具有较好的模糊函数以提升动目标的探测性能。但直接添加模糊函数约束太过复杂,一种简单且有效的方法是在波形设计建模时添加相似性约束(Similarity Con-straint,SC)使设计的雷达波形继承参考波形优良的模糊函数和动态范围等特性7。相似性约束定义为x-cp,其中,c 表示参
25、考波形,具有良好的模糊函数和幅度的动态范围,p=2 或 表示不同的相似性约束,参数 控制相似度。本文用模约束(Modulus Constraint,MC)统一表示上述的幅度约束:MC(x)。(1)2.1.2 频谱约束随着各类雷达、通信等无线电设备的广泛使用,导致有限的频谱资源供需矛盾日益突出,雷达工作的电磁环境也日益复杂。为避免其他电磁设备对雷达的干扰,设计雷达波形时有意避开已经被其他系统占用的频段6-8(在其他系统占用的频带形成零陷/凹口)可以有效避免互扰问题,从而提升雷达在复杂电磁环境下的抗干扰性能。令 Ff(1),f(2),f(N-)C CN-N-表示离散傅里叶变换矩阵,其中:f(n-)
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