频谱拥堵环境下的自适应雷达波形设计研究.pdf

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1、博士学位论文频谱拥堵环境下的自适应雷达波形设计研究RESEARCHONWAVEFORMDESIGNFORADAPTIVERADARINSPECTRUMCONGESTEDENVIRONMENT赵德华哈尔滨工业大学2018年1月国内图书分类号：927.23学校代码：10213国际图书分类号：621.39密级：公开工学博士学位论文频谱拥堵环境下的自适应雷达波形设计研究博士研究生：赵德华导师：刘永坦教授申请学位：工学博士学科：信息与通信工程所在单位：电子与信息工程学院答辩日期：2018年1月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:927.23U.D.

2、C:621.39DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONOFWAVEFORMDESIGNFORADAPTIVERADARINSPECTRUMCONGESTEDENVIRONMENTCandidate：DehuaZhaoSupervisor：Prof.YongtanLiuAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：InformationandCommunicationEngineeringAffiliation：SchoolofE

3、lectronicsInformationEngineeringDateofDefence：January,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要雷达通过发射并接收电磁信号获得目标的位置及运动信息。为了获得足够高的距离分辨率，传统雷达通常需要占用一段连续的较宽的频带。然而，随着电磁用户数量以及各用户对频谱带宽需求的持续增长，雷达将不可避免的和其它电磁波用户工作在同一频带，这增加了雷达与其它用户相互干扰的可能性。为了保证雷达在频谱拥堵环境下的频谱兼容性，雷达系统需要避开存在

4、较强干扰以及其它高优先级用户工作的频点/段，而这会不可避免的破坏发射波形的自相关函数性能。为此，现代雷达系统需要更好的“认知”工作环境，并充分利用发射波形的各种自由度以保证自身的性能。为实现该目的，本课题分析了频谱拥堵环境下雷达发射波形的性能，提出了优化波形参数的算法，并实现了若干种不同形式波形的优化设计。在对波形的性能分析方面，本论文建立了给定工作频带下对发射信号距离分辨率与距离旁瓣水平的评估体系，提出了快速预测这两者的方法。在该工作中，我们将这两者均描述为信号功率谱的函数，建立了对应的优化问题。借助拉格朗日法，本论文推导给出了最优功率谱的解析表达式进而实现了

5、对其最优性能的预测。基于该工作，雷达系统可以更好的“解读”外界频谱环境，进而更智能的工作。在对发射波形参数的优化算法方面，本论文分析了波形不同指标优化问题的共性，将其统一的描述为频谱优化问题。本论文使用信号功率谱与指定功率谱模板的残差作为统一的性能指标，并使用共轭梯度法最小化该指标以获得具有不同期望性能的波形。在此基础上，本论文推导给出了使用FFT快速计算上述功率谱残差及对应梯度的方法，大大降低了最小化该指标的计算复杂度。借助标量化方法以及链式法则，所提方法同样可以灵活的应对需要同时兼顾多个设计目标的复杂优化问题。该工作奠定了本课题对多种不同形式波形优化设计的算

6、法基础。在具体的波形设计方面，本论文分别提出了频谱拥堵环境下的PCFM（Polyphase-CodeFrequencyModulation）波形、脉间分集波形、频率捷变波形的优化方案。PCFM波形是近些年刚被提出的一种脉内快时间调制波形。由于具有恒定的幅度包络及连续变化的相位调制函数，PCFM波形可以最大化雷达平均发射功率并有效控制其频谱旁瓣。针对现有设计PCFM波形的方案大多比较复杂、耗时的问题，本论文提出了一种基于内插重构的设计方案，将对PCFM波形的优化转化为对其均匀采样序列的最优设计问题。进一步的，本论文将PCFM波形采样序列的优化描述为对其功率谱的拟合

7、问题，进而使用本课题提出的频谱优化工具实现快速求-I-摘要解。基于本课题对频谱拥堵环境下雷达波形性能的分析，我们可以通过选取合适的目标功率谱模板实现对最终PCFM波形距离分辨率及距离旁瓣水平的综合控制。实验结果表明，设计获得的PCFM波形在具有非常“干净”的频谱旁瓣的同时，可以有效抑制与带内其它用户的相互干扰并保证自相关函数性能。脉间分集波形指的是一个信号积累周期内发射波形不断变化的波形。由于具有更高的自由度，脉间分集波形比相参脉冲串信号具有更强的抗干扰能力。此外，当外界频谱环境在一个积累周期内发生较大变化时，脉间分集波形也是自适应雷达系统保证自身工作性能的必然

8、选择。鉴于此，本课题建立