一種ofdm單脈沖雷達(dá)自適應(yīng)發(fā)射波束形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明提出的一種OFDM單脈沖雷達(dá)自適應(yīng)發(fā)射波束形成方法屬于雷達(dá)信號領(lǐng) 域，具體主要設(shè)及參數(shù)估計和自適應(yīng)波形設(shè)計。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，W及雷達(dá)新理論、新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)代雷達(dá)已成為 可W測量目標(biāo)距離、方位、仰角和速度等信息的重要電子設(shè)備，各種不同用途的新型雷達(dá)系 統(tǒng)不斷地被雷達(dá)工作者們研究并開發(fā)出來，在軍事和民用領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。隨著電子 技術(shù)的迅猛發(fā)展，W及雷達(dá)新理論、新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)代雷達(dá)已成為可W測量目標(biāo)距 離、方位、仰角和速度等信息的重要電子設(shè)備，各種不同用途的新型雷達(dá)系統(tǒng)不斷地被雷達(dá) 工作者們研究并開發(fā)出來，在軍事和民用領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。
[0003] 當(dāng)前雷達(dá)面臨著四大威脅，即快速應(yīng)變的電子偵察及強烈的電子干擾；具有掠地、 掠海能力的低空、超低空飛機和巡航導(dǎo)彈；雷達(dá)散射截面積十分小的隱身飛行器；快速反 應(yīng)自助式高速反福射導(dǎo)彈。為此，世界各國雷達(dá)工作者正積極努力地尋求新理論和新技術(shù) W保證雷達(dá)實時、可靠地從極強的自然干擾（雜波）和人為干擾中檢測大量目標(biāo)，加快雷達(dá) 反應(yīng)能力，提高雷達(dá)的動態(tài)范圍和虛警鑒別能力，降低雷達(dá)信號被電子環(huán)境檢測器W及反 福射導(dǎo)彈截獲的概率。自適應(yīng)天線技術(shù)使雷達(dá)具有低截獲特性，被用于反偵察。自適應(yīng)優(yōu) 化設(shè)計雷達(dá)發(fā)射波形有利于提高雷達(dá)信號傳輸與信息獲取的可靠性和有效性，實現(xiàn)對整個 系統(tǒng)的綜合優(yōu)化，對于提升雷達(dá)性能W及新體制雷達(dá)的發(fā)展具有十分重要的意義。自適應(yīng) 技術(shù)已成為提高雷達(dá)系統(tǒng)性能的一項關(guān)鍵技術(shù)，使其能夠應(yīng)對復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境，提高整體 系統(tǒng)性能W及生存能力。
[0004] (FDM信號利用多個正交的子載波并行探測，且可根據(jù)需要進(jìn)行子載波的自適應(yīng)調(diào) 審IJ，可有效提高目標(biāo)探測能力和系統(tǒng)的抗干擾性能。OFDM信號是各個子載波信號時域之和， 當(dāng)子載波數(shù)目較大時，根據(jù)中屯、極限定理，信號同相和正交分量服從高斯分布，即信號具有 類噪聲特性，因此具有較好的低截獲性?；谏鲜鰞?yōu)越性O(shè)FDM信號逐漸成為近年來被廣泛 研究的一種雷達(dá)信號形式。由于(FDM信號的大帶寬特性讓復(fù)雜目標(biāo)在徑向距離上多散射 中屯、估計成為可能。本發(fā)明提出了一種OFDM單脈沖雷達(dá)自適應(yīng)發(fā)射波束形成方法，可W根 據(jù)目標(biāo)對不同頻率的反射系數(shù)不同調(diào)整能量分布同時保證發(fā)射波形的模糊函數(shù)和理想模 糊函數(shù)最大程度上的接近。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提出一種(FDM單脈沖雷達(dá)自適應(yīng)發(fā)射波束形成方法，該方法主要包括兩 個部分。一、對點目標(biāo)的向后散射系數(shù)進(jìn)行估計。二、利用估計的向后散射系數(shù)對OFDM單 脈沖雷達(dá)的子載波系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到和理想模糊函數(shù)最大程度地接近同時根據(jù)散射系數(shù) 的不同重新進(jìn)行發(fā)射信號的能量分布。在下面的陳述中首先對OFDM單脈沖雷達(dá)信號的模 糊函數(shù)進(jìn)行改進(jìn)；其次根據(jù)點目標(biāo)對頻率的反射系數(shù)的敏感性對向后散射系數(shù)進(jìn)行估計； 然后用理想模糊函數(shù)對(FDM單脈沖雷達(dá)的子載波加權(quán)系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；最后用MATLAB對固 定參數(shù)的OFDM單脈沖雷達(dá)和自適應(yīng)參數(shù)的OFDM單脈沖雷達(dá)進(jìn)行仿真，驗證本發(fā)明的可行 性和正確性。
[0006] 1、含有反射系數(shù)的OFDM單脈沖雷達(dá)模糊函數(shù)
[0007] 我們選擇發(fā)射頻率為f。，那么（FDM單脈沖雷達(dá)發(fā)射的信號可W用下面的式子表 示：
[0008]
[000引其中4=fe+nAf，表示第n個子載波的頻率。N是子載波數(shù)量，信號的總帶寬是B，脈沖寬度是T，w。是子載波的加權(quán)系數(shù)，并滿足
也是說我們在使用窗函數(shù)時要 對窗函數(shù)進(jìn)行歸一化處理。相鄰子載波頻率間隔Af=B/L= 1/T。
[0010] 根據(jù)寬帶模糊函數(shù)的定義，假設(shè)在遠(yuǎn)處有一個點目標(biāo)，它到雷達(dá)的距離是r且該 點目標(biāo)相對于雷達(dá)的運動速度是^，為了建模簡單我們假設(shè)接收到的信號中沒有噪聲的干 擾，那么接收到的信號我們可W下面的式子表示：
[0011]
(2)
[0012] 根據(jù)寬帶模糊函數(shù)的定義知道丫表示反射信號在時間上的壓縮或者擴(kuò)展因子， 滿足丫 =1+0。其中公二口表示多普勒擴(kuò)展因子，y到達(dá)方向的單位向量，T= 化/C表示信號在雷達(dá)和目標(biāo)傳播的時延，C是光速，〈z;，v=〉表示G和V做內(nèi)積運算。對上述式 子進(jìn)行化簡我們可W的到接收到的信號可W表示為：
[001 引
（3)
[0014] 對上面的式子進(jìn)行化簡可W得到下列式子：
[00 巧]
(4)
[0016] 那么接收到信號的復(fù)包絡(luò)可W表示為：
[0017]
(5)
[0018] 考慮到目標(biāo)不同散射中屯、對不同頻率信號的散射特性，我們假設(shè)目標(biāo)對不同頻率 信號的散射系數(shù)為X，X是一個向量X=[X。，X?！璛w_i]T，該時我們把散射系數(shù)加到接收到的 信號中對yi(t)進(jìn)行改寫，實際的接收信號我們用y2(t)表示：
[0019]
((，）
[0020] 去掉載波頻率，其對應(yīng)的復(fù)包絡(luò)為；
[00 川 （7)
[0022] 根據(jù)模糊函數(shù)定義，將所得公式（3)和公式（7)代入可得：
[0023]
[0024] 其中積分下線滿足Tmh=max(0，T)，積分上線滿足Tm"=min(TP,Tp/丫 +T)。
[00巧]和前面的分析思路一樣，我們將改進(jìn)后的寬度模糊函數(shù)分成兩部分，一部分是ni=ri2時的自模糊函數(shù)，另一部分ni聲n,的互模糊函數(shù)。和前面一樣我們主要討論自模糊 函數(shù)部分。對自模糊函數(shù)XiAut。進(jìn)行積分可W得到下列式子：
[0026]
(9)
[0027]其中Td=Tmax-Tmin，Tm=(Tmax+Tm化）/2。
[002引改進(jìn)后的模糊和單脈沖模糊函數(shù)相比明顯的區(qū)別是加入了散射系數(shù)矩陣X和時 間因子丫。該可W說明改進(jìn)后的模糊函數(shù)不僅考慮了目標(biāo)運動時給回波來到的時間尺度變 換同時還考慮了目標(biāo)在(FDM單脈沖雷達(dá)信號不同子載波的不同散射效應(yīng)。從物理意義上 說改進(jìn)后的模糊函數(shù)可W保證在存在不同的散射情況下匹配濾波器依然能夠保證最佳匹 配輸出，改進(jìn)后的模糊函數(shù)考慮到環(huán)境的因素明顯更優(yōu)于傳統(tǒng)的模糊函數(shù)。含有反射系數(shù) 的OFDM單脈沖雷達(dá)模糊函數(shù)是本發(fā)明的理論基礎(chǔ)。
[0029] 2、自適應(yīng)雷達(dá)波形優(yōu)化原理
[0030] 1990年自適應(yīng)信號處理理論的奠基人之一Simon化ykin教授在國際雷達(dá)會議上 首次提出了"RadarVision"的概念，該一概念是針對傳統(tǒng)雷達(dá)的W下S點不足提出的；（1) 雷達(dá)工作環(huán)境的時空信息未得到充分關(guān)注；（2)環(huán)境的數(shù)學(xué)模型知識或先驗信息未得到充 分利用；（3)缺少從接收機到發(fā)射機的物理反饋回路，從而無法將雷達(dá)設(shè)計成一個可W根 據(jù)感知到的周圍環(huán)境變化自適應(yīng)調(diào)整自身狀態(tài)W提高整體性能的智能遙感系統(tǒng)。在"Radar Vision"的基礎(chǔ)上，Simon化ykin教授于2003年在相控陣系統(tǒng)與技術(shù)國際研討會上進(jìn)一步 提出了 "認(rèn)知雷達(dá)"(CognitiveRadar)的概念。根據(jù)對騙幅回聲定位機理的認(rèn)識，認(rèn)知雷達(dá) 被定義為能夠感知環(huán)境，并利用所感知的信息W及其他先驗知識對發(fā)射機和接收機進(jìn)行聯(lián) 合自適應(yīng)設(shè)計，W實現(xiàn)對特定目標(biāo)進(jìn)行有效、可靠且穩(wěn)健遙測的雷達(dá)系統(tǒng)。該種雷達(dá)思想不 僅要實時改變接收處理系統(tǒng)，同時還要根據(jù)環(huán)境變化實時進(jìn)行自適應(yīng)波形設(shè)計（Adaptive Wave化rmDesign)，并發(fā)射相應(yīng)的波形根據(jù)自適應(yīng)雷達(dá)工作原理我們可得到本發(fā)明(FDM單 脈沖雷達(dá)自適應(yīng)發(fā)射波束形成流程圖如圖1所示，其實現(xiàn)過程如下所示：
[0031] 首先OFDM單脈沖雷達(dá)發(fā)射波形，發(fā)射的波形在傳播中遇到目標(biāo)將一部分波形反 射回來。然后OFDM單脈沖雷達(dá)接收目標(biāo)反射的波形，接收機根據(jù)接收的波形估計出目標(biāo)的 反射系數(shù)。根據(jù)估計的反射系數(shù)可W獲得含有反射系數(shù)的OFDM單脈沖雷達(dá)模糊函數(shù)，再與 希望的模糊函數(shù)進(jìn)行運算獲得優(yōu)化的子載波加權(quán)系數(shù)。最后OFDM單脈沖優(yōu)化的子載波加 權(quán)系數(shù)對發(fā)射波形進(jìn)行調(diào)整。該樣的過程一直循環(huán)，如目標(biāo)位置改變時，OFDM單脈沖雷達(dá) 自適應(yīng)發(fā)射波束都用優(yōu)化的子載波加權(quán)系數(shù)調(diào)整波形系數(shù)，并將優(yōu)化的參數(shù)作為下一次波 形參數(shù)。
[0032] 2. 1散射系數(shù)估計
[0033] 對應(yīng)圖1中的103。從現(xiàn)有的光學(xué)研究成果中可知道目標(biāo)在高頻電磁波的散射響 應(yīng)可由用一組相互獨立的散射中屯、對應(yīng)的散射響應(yīng)的和來近似代替。一個目標(biāo)從現(xiàn)有的光 學(xué)研究成果中可知道目標(biāo)在高頻電磁波的散射響應(yīng)可由用一組相互獨立的散射中屯、對應(yīng) 的散射響應(yīng)的和來近似代替。一個目標(biāo)的散射中屯、構(gòu)成能反應(yīng)目標(biāo)的物理結(jié)構(gòu)，該就是雷 達(dá)能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行識別的主要依據(jù)。目標(biāo)的姿態(tài)角決定了散射中屯、的強度，姿態(tài)角在一定 的變化范圍內(nèi)可認(rèn)為散射中屯、類型不變。目標(biāo)的向后散射系數(shù)主要反應(yīng)目標(biāo)對電磁波反射 的一種能力，該參數(shù)是合成孔徑雷達(dá)成像的重要物理參數(shù)，該是本發(fā)明改進(jìn)算法中需要正 確估計的參數(shù)。
[0034] 自適應(yīng)OFDM單脈沖雷達(dá)波形優(yōu)化的重點是對目標(biāo)散射系數(shù)進(jìn)行估計，將OFDM單 脈沖雷達(dá)發(fā)射信號的頻率4=f^+nAf代入公式（5. 4)可W得到不同頻率子載波的散射系 數(shù)方程：
[00對
（10)
[0036] 在帶寬較小的情況下nAf/f。^ 0,那么利用幕級數(shù)展開式對上式進(jìn)行改寫成下 式：
[0037] Xi(fn) =Aiexp[ailn(l+nAf/f0)] (11)
[0038] >Aiexp[aiDAf/f0]
[0039] 向后散射系數(shù)估計值得準(zhǔn)確值決定了本文優(yōu)化方法的好壞，