低截获概率雷达波形设计与参数估计方法

摘要

随着电子对抗技术的不断发展，雷达需要提高自身的抗侦察、抗截获性能，从而减小被检测、截获甚至被干扰、打击的概率。具备一定低截获概率(low probability of intercept，LPI)的雷达已成为对抗各种电子侦察及干扰的必然需求。
　　针对现代电子战场在低截获信号检测、参数估计方法及波束扫描技术等方面的新发展，本文一方面主要考虑雷达发射方向图的优化设计与参数估计，另一方面充分开发利用现代新体制雷达技术如宽带雷达技术、多输入多输出(multiple-input multiple-output，MIMO)雷达技术以及频率分集阵列(frequency diversity array，FDA)雷达技术的先天优势来提高雷达的低截获性能，提出LPI雷达波形优化设计与参数估计的新方法。本论文的主要工作及创新概括为以下几个方面：
　　(1)宽带MIMO雷达LPI发射方向图优化设计
　　宽带MIMO雷达具有低截获特性与便于灵活设计发射方向图的优势，已成为研究LPI雷达的重要方向之一。本文针对宽带MIMO雷达LPI发射方向图的合成，提出了两种通过设计功率谱密度矩阵逼近期望的发射方向图的方法。提出的方法将整个宽频带发射信号划分成若干个窄带；针对每个子窄带，建立具有期望的旁瓣值和总发射功率限制条件的优化问题来设计发射信号矢量的功率密度矩阵，以使其方向图主瓣逼近期望主瓣响应。提出的问题被转化为一个二阶锥规划问题，并利用凸优化工具箱 CVX进行有效求解。与近几年提出的宽带 MIMO雷达发射方向图合成方法相比较，本文所设计的发射方向图的主瓣具有恒定束宽特性，并且其旁瓣值严格低于期望的旁瓣值，进一步地确保了其 LPI性能。大量的仿真结果证明了本方法的有效性。
　　(2) FDA低截获特性及其应用研究
　　FDA作为一种新型阵列天线模型，通过在阵元间引入一个较小的频率增量，无需移相器就可在空间实现波束扫描，是一种灵活的能实现距离、时间和角度依赖性波束的扫描方式，对雷达提高 LPI性能也具有独特潜在优势。本文以雷达和电子战为重点，探讨了FDA及其频率扫描特性，从本质上展示了FDA作为时间调制阵列在降低旁瓣电平以及产生多个波束等方面的一些特征；理论建立了FDA的数学模型，表明了阵元间采用频率增量会产生一个距离、时间和角度依赖性的方向图；创新性地研究FDA的应用，探讨其潜在的低截获性能应用能力。
　　(3)基于子阵方案的FDA雷达距离-角度联合估计方法
　　非合作目标的二维定位不能由传统线性相控阵雷达的波束峰值得到，均匀线性阵列FDA雷达由于距离和方位角耦合也不能直接实现目标距离和方位角的二维联合估计。针对FDA的波束特性，本文提出了一种 FDA雷达的子阵方案以解决距离-角度联合估计问题。子阵列采用不同的频偏，为了扩展阵列孔径，子阵列均采用差分阵列结构。当采用接收数据的二阶统计量进行处理时，N个实际物理阵元可提供2O（N)维的自由度。由于子阵列对距离和角度维的解耦能力，目标可利用基于子空间的多信号分类算法定位。进一步地，推导了相对于信噪比的克拉美-罗下限来检验目标参数的估计性能。最后的数值仿真结果验证了方法的有效性。
　　(4)认知FDA-MIMO雷达LPI波束优化设计
　　雷达信号的LPI本质上是期望能够在各种复杂的电磁环境下发现目标(即增加雷达自身接收回波信号的探测概率)，同时又期望己方的发射信号尽可能不被敌方所发现(即降低雷达发射信号的被探测概率)。本文根据FDA雷达波形的时变特性，提出一种降低发射波形被截获概率的方案，即考虑使目标处雷达的能量达到最小化，该最小化的能量被反射之后，在雷达自身接收处的能量达到最大化。这一思想可通过采用认知雷达的方式以不同距离不同抑制的方法来实现。最终将FDA雷达波束方向图的能量分布问题转化为二阶的非凸优化问题，通过引入新的变量求解得到最优解。文中给出了两种求解最优解的方法。数值仿真结果表明，所提出的方法是有效的，即降低了雷达信号在目标处的被检测概率，同时提高了在雷达自身接收处的检测性能。

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缩略词表

第一章 绪论

1.1研究工作的背景与意义

1.2国内外研究历史与现状

1.3本文主要内容与创新点

1.4 论文结构安排

第二章LPI雷达基本概念与关键技术

2.1 LPI雷达的概念

2.2 LPI雷达的特点

2.3 LPI雷达的几项关键技术

2.4本章小结

第三章宽带MIMO雷达发射方向图优化设计

3.1 宽带MIMO雷达体制的LPI性能分析

3.2宽带MIMO雷达发射方向图模型

3.3 宽带MIMO雷达发射方向图设计

3.4仿真分析

3.5本章小结

第四章FDA及其波束扫描特性

4.1 阵列天线理论

4.2FDA基本概念

4.3 FDA阵列的特性与仿真分析

4.4 本章小节

第五章FDA雷达目标参数估计

5.1 FDA雷达的距离-角度二维参数估计潜能

5.2 基于子阵方案的距离-角度估计

5.3 距离-角度联合估计的克拉美-罗下限

5.4 数值仿真结果和讨论

5.5 本章小结

第六章认知FDA-MIMO雷达波束优化设计

6.1 FDA距离依赖性波束

6.2 基于低截获性能的认知FDA-MIMO雷达系统

6.3 FDA-MIMO雷达的信号接收和匹配滤波

6.4 认知FDA-MIMO雷达LPI性能波束设计

6.5仿真分析

6.6本章小结

第七章全文总结与展望

7.1全文总结

7.2后续工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果

攻读博士学位期间参与的项目