高效调制雷达通信一体化系统相关技术研究

摘要

传统单一功能电子装备的作战平台要面临来自不同平台、不同形式的电磁威胁，其生存能力和作战性能日益受到严峻的挑战。本文主要从通信和雷达信号处理角度，探索基于高效调制的电子综合一体化技术设计方案和相关处理算法，克服系统的成本和重量瓶颈，以实现装备的通用性、小型化和多功能化，达到提高系统传输速率、扩充系统容量和改善目标探测性能的目的。结合传统雷达和高效数字调制的技术特点，提出了基于高效调制的双频电子综合系统的设计方案，并根据不同的使用环境进行相应的改进，进一步提出了基于高效调制的雷达通信一体机设计方案。分别讨论了系统的目标测距测速、不同类型目标检测跟踪和数字通信传输等方面的问题。重点讨论了以下几个方面:
　　1.为了解决双频连续波雷达的测距整周期模糊问题，同时实现雷达通信一体化，提出了一种基于双频双路扩展的二元相移键控(EBPSK)调制解调器的电子综合系统，实现基本的雷达与通信功能。介绍了系统的几种工作模式，分析了双频信号发射功率分配问题。讨论了EBPSK调制参数、双频频差对目标测距范围和精度以及数字通信传输性能的影响。仿真表明，双频综合电子系统在基本保持测量精度的同时，消除了整周期模糊度对其最大不模糊测距的限制。同时利用EBPSK调制信号和冲击滤波辅助解调的特殊优势进行高频谱利用率的数字通信，并可根据实际需求以不同模式工作，表现出良好的灵活性。
　　2.对双频电子综合系统进行改进，提出了基于EBPSK/MPPSK调制的雷达通信机设计方案，实现雷达信号和通信数据的同时传送。说明了EBPSK/MPPSK调制信号发射机和接收机的工作原理，分析了伪随机EBPSK/MPPSK数据帧的相关处理，并导出了不同目标（静止的、移动的、速度未知的）的恒虚警率(CFAR)检测阈值、检测概率和虚警概率。通过仿真表明，回波信号多普勒相对值大于5×10-7时，雷通机信噪比提升量大于传统线性调频(LFM)雷达;目标相对速度为2000m/s时，对于非起伏和Swerlingl目标，EBPSK信号的检测性能优于LFM信号约3dB，MPPSK信号的检测性能优于LFM信号约1dB;而当回波信号时延τ=0.5μs时，EBSPK信号所需信噪比(SNR)则少于LFM信号2.5dB。虽然作为雷达应用时MPPSK信号的CFAR检测性能不如EBPSK信号，但用于通信时频谱利用率和传输码率更高。
　　3.根据模糊函数定义，推导了伪随机EBPSK/MPPSK数据帧的平均模糊函数，分析了EBPSK脉冲信号的几种Swerling目标探测概率。同时，采用改进孙子余数定理(CRT)算法解决了双频脉冲雷达模糊测速问题，利用多目标多普勒估计算法优化了多目标测速性能。仿真表明，伪随机EBPSK/MPPSK数据帧串具有“图钉”型的平均模糊函数。取代伪随机码连续信号序列，同样可以取得距离无模糊测量，且隐蔽性好。基于调制码元处理的多目标多普勒估计算法能够分辨微小的速度差值，大幅提高了主峰旁瓣比，而且主峰旁瓣比只受限于Fourier旁瓣，矩形脉冲和发送数据相关性的旁瓣都不会出现。
　　4.通过对距离扩展目标冲击响应进行估计，采用EBPSK脉冲逼近最优化回波信号与雷达散射参数互信息量的信号。在峰均比(PAR)和信号能量受限下，分别提出了已知及未知目标多普勒频移下，两种基于最优SNR的EBPSK编码设计算法。研究了基于最大输出SNR的低峰均比认知EBPSK波形设计算法。针对机动目标探测，利用不同时刻目标回波多普勒的相关性，提出了一种基于Kalman滤波的目标判决方法。通过实验仿真表明，对于距离扩展目标，在未知目标多普勒频移的情况下，优化波形的检测性能都优于未优化波形的检测性能，基于最大输出SNR的低峰均比认知EBPSK波形设计算法的性能更好。较之未优化EBPSK波形，认知EBPSK波形设计算法优化波形的性能提升了4dB。针对机动目标检测，基于Kalman滤波的雷通机所需SNR少于峰值检测系统约2.4dB;存在杂波干扰时，基于Kalman滤波目标检测方法所需的SNR少3dB。
　　5.讨论了高效调制的雷通机体制下机动目标跟踪和多扩展目标跟踪中的建模与算法设计问题。将多普勒测量运用于杂波环境下的多扩展目标跟踪，其中多普勒测量用于计算测量似然比，是区别目标测量和错误测量的关键，该方式无需用非线性滤波器。仿真结果表明，在多目标和杂波环境下，改进的跟踪器可以得到更为准确的跟踪确认数目，而且对滤波复杂度和稳定度几乎没有影响，计算复杂度低。基于多普勒测量线性多目标集成概率数据关联(LMIPDA-DDA)跟踪器对于目标测量的确认响应明显提高，其目标均方误差几乎比传统滤波方式降低一个数量级，是线性多目标集成概率数据关联(LMIPDA)跟踪器的一半。

目录

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摘要

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表格目录

缩略词

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 发展现状

1．2．1 雷达通信一体化

1．2．2 高效调制解调技术

1．3 研究意义

1．4 论文的主要工作及组织结构

1．4．1 研究目标

1．4．2 组织结构

第2章 基于高效调制的双频综合电子系统

2．1 背景技术

2．1．1 双频连续波雷达测距

2．1．2 EBPSK调制

2．1．3 MPPSK调制

2．1．4 冲击滤波响应

2．2 基本设计思想

2．3 系统结构

2．3．1 双频EBPSK调制信号发射机

2．3．2 双频EBPSK调制信号接收机

2．3．3 冲击滤波器辅助解调

2．4 工作模式

2．4．1 雷达探测

2．4．2 数字通信

2．4．3 定位导航与数字广播

2．5 双频功率分配问题

2．6 系统作用距离

2．7 仿真分析

2．7．1 测距性能分析

2．7．2 通信传输性能分析

2．8 本章小结

第3章 基于EBPSK／MPPSK调制的雷达通信机

3．1 应用场景

3．2 系统结构

3．2．1 发射机

3．2．2 接收机

3．2．3 雷达回波的检测判决

3．2．4 冲击滤波解调

3．2．5 伪随机数据帧的相关处理

3．3 CFAR目标检测概率分析

3．4 仿真分析

3．4．1 系统仿真参数设置

3．4．2 信噪比的提升量

3．4．3 CFAR目标探测概率仿真

3．4．4 通信性能分析

3．5 本章小结

第4章 高效调制波形的目标探测性能分析

4．1 EBPSK调制数据帧串的平均模糊函数

4．1．1 伪随机EBPSK调制数据帧串

4．1．2 平均模糊函数推导

4．1．3 多普勒扩展

4．1．4 实验仿真

4．2 伪随机MPPSK调制数据帧的平均模糊函数

4．2．1 3PPSK平均模糊函数

4．2．2 距离和多普勒模糊函数仿真

4．3 几种Swerling目标探测概率分析

4．3．1 Swerling目标探测概率

4．3．2 实验仿真

4．4 双频雷通机的速度测量

4．4．1 双频测速的整周期模糊度问题

4．4．2 改进CRT算法的速度测量

4．4．3 多目标多普勒估计算法

4．5 本章小结

第5章 调制波形优化与基于Kalman滤波的目标判决

5．1 优化EBPSK信号的距离扩展目标探测性能研究

5．1．1 高分辨率雷达信噪比提升量

5．1．2 高斯白噪声下距离扩展型目标探测

5．1．3 目标存在时估计其冲击响应

5．1．4 杂波环境下距离扩展型目标探测

5．1．5 实验仿真

5．2 检测扩展型目标的EBPSK波形设计算法

5．2．1 信号模型

5．2．2 散射密度相关GLRT检测器

5．2．3 EBPSK认知波形设计算法

5．2．4 实验仿真

5．3 基于Kalman滤波的目标判决

5．3．1 目标检测模型

5．3．2 目标状态模型

5．3．3 机动目标检测流程

5．3．4 CFAR目标检测

5．3．5 脉冲压缩滤波过程

5．3．6 实验仿真

5．4 本章小结

第6章 EBPSK雷通机的目标跟踪

6．1 机动目标跟踪

6．1．1 机动检测器

6．1．2 输入检测和估计

6．1．3 IMM Kalman滤波

6．1．4 性能评估与仿真

6．2 扩展目标跟踪

6．2．1 扩展型目标测量模型

6．2．2 测量方程线性化处理

6．3 基于Doppler测量的多扩展目标跟踪

6．3．1 多扩展目标雷达模型

6．3．2 多目标状态模型

6．3．3 多普勒数据关联

6．3．4 性能评估

6．4 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 主要创新

7．3 研究展望

致谢

参考文献

作者攻读博士学位期间参加的科研项目和成果