连续混沌调频雷达的波形设计和信号延迟

摘要

连续混沌调频信号(Continuous-Chaos Frequency-Modulating Signal，CCFMS)雷达是采用连续混沌信号实现信号调频的一类调频信号雷达。CCFMS雷达发射的信号为混沌信号，具有产生简单、实现代价小、截获概率低、抗干扰性能和电磁兼容能力强等特点。CCFMS可避免离散调频系统设计中的频率跳变、时钟同步和参数调整等问题，实现信号功率谱的平滑设计。与一般的混沌雷达信号不同，CCFMS峰均功率比接近理想值2，可充分利用发射机效率。
　　 本文利用混沌动力学理论，重点对连续混沌调频雷达系统的波形设计和信号延迟作了详细的探讨，主要的创新和贡献归纳如下：
　　 (1)连续混沌调频信号的性能分析
　　 给出了CCFMS的数学表达式，理论推导了CCFMS的自相关函数和均方根带宽。结果表明CCFMS自相关函数的旁瓣抑制性能优异；其均方根带宽与调频指数、混沌信号的均方根成正比。仿真计算了典型混沌产生的CCFMS性能，进一步证明了CCFMS具有较高的时间峰值旁瓣比、平坦的功率谱形状、近似图钉型的模糊函数和与正弦发射信号相同的峰均功率比。
　　 分析了CCFMS雷达的抗噪声干扰和频移干扰等有源干扰性能。与线性调频信号雷达相比，具有明显的抗干扰性能优势，信干比改善因子提高约5.5 dB，不会产生距离假目标欺骗干扰。
　　 (2)连续混沌调频雷达的波形设计
　　 提出了基于连续混沌的非线性耦合产生CCFMS的动力学设计理论。以Colpitts电路为例给出了具体的设计实例，通过吸引子重构和Lyapunov指数计算，阐述了CCFMS的混沌特性。
　　 给出了频谱精细控制的认知波形的直接设计和迭代设计方法。这种方法可根据目标功率谱特征，产生输出功率谱随外界环境而变化的CCFMS波形，使CCFMS雷达具有主动学习能力。
　　 (3)混沌滤波及脉冲滤波同步方法研究
　　 研究了无原驱动信号的混沌滤波同步方法。该方法仅传输滤波信号，利用响应系统变量来恢复滤波丢失的信息。分别讨论了低通滤波和带通滤波的同步性能，仿真结果表明该方法可以在仅传输50～80％有效带宽能量下实现混沌系统同步。
　　 提出了基于条件Lyapunov指数(CLE)的混沌脉冲同步和脉冲滤波同步方法。该方法根据发展的脉冲同步的CLE计算技术，突破了传统脉冲同步理论的限制，得到的同步区间更为接近实际的同步区域，同时解决了脉冲滤波同步的稳定性判定和同步区间估计问题。仿真结果验证了该方法的正确性和可行性。
　　 (4)连续混沌调频雷达的信号延迟
　　 提出了基于滤波同步和脉冲滤波同步的一般混沌信号延迟技术，实现了采用窄带延迟技术对宽带混沌信号的延迟。对基于滤波同步的延迟技术给出了实现同步的滤波器最小带宽，对基于脉冲滤波同步的延迟技术阐述了滤波器带宽与最小采样频率之间的关系。
　　 根据CCFMS产生原理，研究了CCFMS窄带延迟技术。构建了CCFMS的动力学设计模型的响应系统，探讨了系统同步对延迟性能的影响。这种窄带延迟技术能降低幅度相位不一致性及插入损耗，减小延迟设备代价，仿真结果表明该技术可节省65％的延迟带宽。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录、缩写与中英文对照

声明

1 绪论

1.1 从混沌到混沌雷达

1.2 连续混沌调频雷达

1.2.1 基本原理

1.2.2 实现框架

1.3 本文的量纲说明

1.4 本文的主要结构

2 混沌及其基本理论

2.1 动力学系统与混沌

2.2 混沌刻画方法

2.3 混沌同步方法

2.4 典型连续混沌系统

2.5 结束语

3 连续混沌调频信号的性能分析

3.1 信号表示

3.2 信号分析

3.2.1 自相关函数

3.2.2 功率谱

3.2.3 模糊函数

3.3 抗干扰性能分析

3.3.1 噪声干扰

3.3.2 频移干扰

3.4 结束语

4 连续混沌调频雷达的波形设计

4.1 连续混沌调频信号的动力学设计

4.1.1 动力学设计原理

4.1.2 动力学设计实例

4.1.3 动力学特征分析

4.2 连续混沌调频信号的认知波形设计

4.2.1 认知波形的设计原理

4.2.2 认知波形的直接设计

4.2.3 认知波形的迭代设计

4.2.4 结果分析

4.3 结束语

5 混沌滤波及脉冲滤波同步研究

5.1 混沌滤波同步研究

5.1.1 基本原理

5.1.2 性能仿真

5.2 混沌脉冲滤波同步研究

5.2.1 传统的混沌脉冲同步研究

5.2.2 混沌脉冲同步的条件Lyapunov指数计算

5.2.3 基于条件Lyapunov指数的脉冲同步和脉冲滤波同步研究

5.3 结束语

6 连续混沌调频雷达的信号延迟

6.1 混沌信号的窄带延迟技术

6.1.1 基于滤波同步的信号延迟

6.1.2 基于脉冲滤波同步的信号延迟

6.2 连续混沌调频信号的窄带延迟技术

6.2.1 基本原理

6.2.2 系统实现

6.2.3 性能仿真

6.3 结束语

7 结论

致 谢

参考文献

攻读博士学位期间撰写的论文