“对抗环境下雷达系统与处理技术”专栏序言

雷达具有全天时全天候和远距离工作优势,常被用于光学等传感器难以工作的复杂环境中,尤其在军事对抗博弈情况下,雷达更是工作于复杂电磁干扰环境中,这就给雷达设计者提出了极高的要求,包括雷达体制和信号处理方面都要有所创新才能应对敌方新型干扰。雷达工作体制与其天线单元分布方式、信号波形等密切相关。回顾雷达天线扫描工作模式,从机械扫描到相控阵电扫描,再到收发全数字阵列,再结合信号波形设计,出现了相控阵雷达、多输入多输出(MIMO)雷达、频率分集阵(FDA)雷达或更为广泛的波形分集阵雷达,其中FDA雷达是对相控阵雷达的变革,即相控阵各个发射信号的载频相同,变革为各个载频有差异,导致发射天线方向图不仅是角度的函数,而且是时间/距离的函数,从而为相控阵雷达在角度不能区分来波信号的情况下提供了用达到距离不相同来区分信号的新思路。对于天线单元间距达到数百米甚至数十公里时,形成分布式或网络化雷达,从多个站点不同角度观测目标,以应对隐身目标、主瓣干扰等问题。

一种基于模糊融合规则的CFAR检测器

针对单元平均恒虚警检测器(CA-CFAR)在多目标干扰和杂波边缘效应下的性能局限,提出了基于子参考窗口中最小选择单元的恒定虚警检测器(MCA-CFAR)。通过选择子参考单元中的最小单元格,显著提升了检测器的性能,并在瑞利分布背景下详细推导了检测概率、虚警率和检测阈值。为进一步优化性能,设计了模糊逻辑融合检测器(FUMCA-CFAR),它利用两个传感器计算空间隶属函数值,并通过代数和、代数积、MAX、MIN四种规则进行融合,实现了平滑输出,减少了目标信息的丢失。仿真实验表明,基于代数和融合的FUMCA-CFAR检测器在均匀和非均匀背景下均展现出优异的检测性能和抗干扰能力。

麦克风阵列鲁棒频率不变波束形成算法

在实际应用中,频率不变波束形成器通常受到麦克风阵列失配误差的影响,因此提高频率不变波束形成器的鲁棒性具有重要意义。针对上述问题提出了一种约束优化模型,可以在保持频率不变波束形成的同时提高阵列的鲁棒性。首先设计目标波束图,考虑到差分麦克风阵列本身具有频率不变的波束图,选用传统二阶超心型差分麦克风波束图做为目标波束图。上述模型以麦克风阵列权矢量的二范数作为目标函数来最大化鲁棒性,在无失真约束,目标波束主瓣逼近约束以及旁瓣增益精准控制约束下实现频率不变。然后在交替方向乘子法算法框架下,将优化问题分解为多个优化子问题求解,然后对每个优化子问题分别求解,通过仿真验证了在交替方向乘子法算法下上述模型的可行性与有效性,最终达到了麦克风阵列鲁棒频率不变波束响应的效果。

一种侦干探多功能一体化微系统设计

在无人机载、弹载综合电子应用领域,基于传统分立器件设计的信号处理系统面临日益突显的资源受限问题。因此,针对无人机载、弹载综合电子系统的多功能、小型化、高性能应用的迫切需求,提出一种侦干探多功能一体化信号处理微系统集成设计技术。基于三维堆叠等先进封装技术,将射频直采数模/模数转换器、可编程逻辑器件、处理器、大容量易失型存储器、非易失性存储器以及阻容等诸多元件进行共封装设计集成,构成可同时完成侦察、干扰、探测功能信号处理的微系统,并构建多功能应用场景,完成软硬件测试验证。该微系统不仅在体积、重量、性能、集成度等方面具有一定优越性,而且大大简化了信号处理系统的复杂电路设计,更便于系统的标准化、通用化和软件化,具有较大的应用前景。

机载多载频频控阵非均匀距离模糊杂波抑制方法

机载雷达下视工作面临严重的地海杂波,雷达平台运动造成杂波多普勒频率严重扩散,将微弱目标完全淹没。空时自适应处理(space time adaptive processing,STAP)技术通过联合多天线脉冲的接收信号,能够有效地抑制杂波,实现运动目标检测。对于非正侧视阵列高速平台雷达,杂波距离依赖和距离模糊严重制约着目标检测性能。基于多载频频控阵,通过发射一组载频不同的正交信号,在杂波回波中,获得新的发射维自由度,并根据不同模糊在发射维的差异分离各模糊区域。此外,通过进一步对分离后的近程进行杂波补偿,利用降维STAP实现杂波抑制。仿真结果验证了所提方法的有效性。

存在幅相误差时二维稳健超分辨测角算法

针对4D车载毫米波雷达在俯仰与方位维角度分辨力较低、阵列存在幅相误差时测角有偏的问题,提出一种基于快速稀疏贝叶斯学习的稳健二维超分辨测角方法。首先,利用空域稀疏性特点,对角度域空间进行栅格划分,构建了存在幅相误差时的二维超分辨测角信号模型;然后,通过固定点更新的MacKay SBL重构算法实现了多个邻近目标二维角度估计,并利用基于向量点乘的自校正算法对相位误差进行估计,以对有偏的角度估计进行修正;最后,给出了多输入多输出虚拟阵列下的二维角度估计的克拉美-罗界,并分析了所提算法的计算复杂度。仿真结果表明,在大陆ARS548雷达实际12发16收天线布局下,通过对比6种超分辨测角算法,所提方法在低信噪比、少量快拍下和幅相误差较小时,具有较高的角度分辨力与较低的均方根误差。

《信号处理》传感器阵列与多通道信号处理专刊简介

传感器阵列与多通道信号处理是信号与信息处理领域中的一个前沿研究方向,已然成为了诸多重要工程应用的基础性理论与技术,例如雷达、声呐、语音、射电天文学、地震学、医学成像、无线通信等。然而,随着新一代信息技术的快速发展和应用场景的不断革新,其面临的信号环境日趋复杂,传统的传感器阵列与多通道信号处理理论和方法面临着全新的挑战。

基于子阵波束设计的空时二维杂波抑制方法

机载雷达接收端采用子阵处理时面临栅瓣杂波导致的复杂空时耦合分布,使主瓣波束方向存在多个由栅瓣杂波导致的检测性能凹口,目标检测性能恶化严重。针对此问题,该文首先分析了子阵处理中栅瓣杂波空时谱分布特性,并在此基础上提出了基于接收子阵波束设计的空时二维杂波抑制方法。该方法采用重叠子阵构型方案,通过子阵方向图设计形成在子阵间栅瓣区域处的宽凹口,实现对子阵间栅瓣区域杂波的预滤波。进一步构建子阵级空时处理器,由于栅瓣杂波已经在子阵内完成预滤波,避免了栅瓣杂波在空时二维平面上的耦合扩散,从而提高了杂波抑制和动目标检测性能。仿真结果表明,所提方法显著改善了栅瓣杂波区的输出信杂噪比损失性能。

面向复杂场景的多通道慢速动目标稳健检测算法

针对鲁棒主成分分析(RPCA)算法在多通道慢速地面动目标指示(GMTI)中存在的高虚警以及对通道误差敏感问题,该文提出一种数据重构与速度合成孔径雷达(VSAR)-RPCA联合处理的方法。首先,通过样本挑选与联合像素法完成通道间数据精确重构;然后结合VSAR检测模式提出一种新的RPCA优化模型,通过采用交替投影乘子法对其进行求解得到空间频域的稀疏矩阵,进一步利用动目标与强杂波残余在空间频域通道的分布特性差异实现强杂波残余剔除与动目标检测;最后采用沿航迹干涉算法估计目标径向速度完成动目标重定位。相较于传统RPCA算法,所提算法在非理想强杂波背景下的虚警率显著降低。理论分析与实测实验验证了所提算法的有效性。

一种自适应加速的多路径匹配追踪重建算法

在压缩感知重建算法中,多路径匹配追踪算法能够通过搜索多个路径提升获得全局最优解的可能性,但产生的大量冗余路径会造成严重的性能损耗。针对此问题,提出了一种基于自适应加速的多路径匹配追踪重建算法。首先,该算法在路径分解时,通过设置阈值门限控制生成的子枝点数量,优化了原算法平均分配路径数的策略,使相干性强的父枝点可以遍历更多的子枝点,限制相干性小的原子被分配到新的路径中;其次,利用首个路径产生的重建残差,设计了新的修剪准则对候选路径进行二次筛选,进一步减少冗余路径的生成,降低了计算支出;最后,在理论上推导了所提算法在理想状态下准确重建信号的有限等距性条件,给出了所提算法在有噪条件下准确重建信号的信噪比界限。仿真结果表明,在一维和二维信号的重建实验中,所提算法在保证较高的重建精度的前提下,与多路径匹配追踪算法相比,有效提升了重建效率。

基于特征结构的自适应波束形成新算法

基于相关矩阵的特征分解，本文提出了一种改进的线性约束最小方差波束形成（LCMV）新算法，当目标信号含于相关矩阵中时，新算法能有效地抑制信号对消现象，并且具有良好的波束保形能力和快速收敛特点，计算机仿真结果验证了这些优点．

阵元幅相误差对AEW雷达二维杂波谱的影响

本文研究了不可避免的阵元幅相误差对各列先微波合成为列子阵的矩形侧面相控阵机载预警（ＡＥＷ）雷达二维杂波谱的影响，并分析了基于理想＂脊背型＂杂波谱的二维信号处理性能下降的原因，为深入研究时空二维处理提供了基础．

基于CDMA基站辐射源雷达的动目标检测方法

提出一种利用单天线获取参考信号进行直达波及多径回波抑制的方法,该方法将接收的码分多址(CDMA)前向链路信号利用Walsh码解扩,分解出各个前向链路信道,通过逻辑判决恢复出各信道原始的发射信号数据后再合并,获得纯净的CDMA前向链路信号,将其作为参考信号抑制直达波和多径回波,之后再对回波信号进行相干匹配滤波实现动目标检测。最后通过计算机仿真验证了该方法的有效性。

基于四阶累量的MUSIC算法对阵元误差的稳健性分析

本文分析了基于四阶累量的ＭＵＳＩＣ算法（记作ＦＯＣ－ＭＵＳＩＣ），在实际阵元存在幅相误差时，对波达方向（ＤＯＡ）的估计性能，给出了大样本情况下的估计方差公式，并与基于协方差矩阵的标准ＭＵＳＩＣ算法作了比较。计算机仿真结果表明，本文给出的方差公式与实验仿真结果十分接近。文中还给出了利用高阶累量的方法可获得阵列有效孔径扩展的新解释。

机载雷达时-空二维部分联合自适应处理

本文在进一步分析机载侧面阵雷达二维联合处理与级联处理之差异的基础上,提出了一种对阵元误差具有较高容差能力的二维滤波新方法,先用降维变换将时空二维场数据变换到低维空间,再进行联合域波束空间部分自适应处理。

基于和差波束的自适应干扰对消技术

文中提出利用单脉冲测角系统中的和差波束,进行自适应干扰对消处理。其优点是实现简单,既适用于相控阵天线,又适用于连续型抛物面天线系统,而且波束保形性好。文中给出了线阵和面阵的计算机模拟结果,并验证了该技术的有效性。

基于高阶累量的盲高分辨DOA估计及其性能分析

本文基于３阶和４阶统计量提出了一种未知阵元增益及相位情况下盲的ＤＯＡ估计方法，该方法不需要作谱峰搜索，亦不需要进行ＤＯＡ估计与阵元误差校正来回送代运算，可对陈元增益及相位与ＤＯＡ同时精确估计。

弹载相控阵雷达系统设计与信号处理问题

弹载相控阵雷达的系统设计与信号处理实现低空目标探测是下一代主动雷达导引头的一项关键技术。针对这些问题,本文从技术难点、工作模式等方面对导引头雷达动目标检测进行了分析。相比机载预警雷达,弹载雷达采用前视阵列且运动速度快、工作波长短,杂波存在距离、多普勒多重模糊问题,杂波特性严重非均匀,杂波抑制难度大。本文给出了笔者在弹载雷达系统设计及空时自适应处理方面所做的工作,同时指出了目前这一领域有待改善和研究的相关问题。

一种新的旋转不变方法实现起伏目标的高分辨方向－多普勒频率盲估计

本文研究阵列雷达对起伏目标的方向－多普勒频率二维估计问题，由于阵列天线各阵元特性不一致，阵列流形不可精确已知。本文基于高阶统计量提出了利用旋转不变技术实现未精确已知阵列流形（Ａｒｒａｙｍａｎｉｆｏｌｄ）条件下，方向－多普勒频率盲估计的新方法，当发生目标多普勒频率一维兼并时，用此方法仍能分辨目标的方向，并估计出多普勒频率。计算机仿真结果验证了此方法的有效性。

相控阵AEW雷达杂波抑制的简化辅助通道法

本文根据雷达实际工作的特点,提出了性能接近最优而运算量很小的简化辅助通道法.