微波光子信号同步及其在分布式相参雷达中的应用

分布式相参雷达技术通过多节点高性能信号同步实现跨平台的信号级相参融合,可大幅提升雷达探测、跟踪和抗干扰等能力,是雷达领域的重要发展方向之一。随着雷达频率范围的拓展、瞬时带宽的增大和搭载平台的多样化,分布式相参雷达技术对节点间信号的时间、空间、频率、相位同步性能提出了越来越高的要求,这使得传统电学信号同步技术面临巨大挑战。文中介绍了分布式相参雷达对信号时、空、频、相同步的性能要求和国内外相关技术的研究进展,重点总结了微波光子同步技术的基本原理和代表性成果;构建了微波光子分布式相参探测原理验证系统,验证了微波光子分布式相参的可行性,为推动分布式相参雷达的前沿发展与工程化应用提供了关键技术支撑。

分布式相参雷达相参效率及相参景深研究

分布式相参雷达(distributed coherent aperture radar,DCAR)所发射信号仅能在感兴趣点处完全相参叠加,在一定发射相参效率约束下,因相参位置失配会出现能量弥散现象。对此,定义“相参景深”用以描述该能量弥散现象,并给出相参景深形成原因,指出其有界性和周期性特征,分析其影响因素,以具象化和定量化的方式揭示发射相参效率空间分布规律,可有效支撑DCAR发射信号参数和阵列构型选择等工程实践。最后,以多节点单元雷达的DCAR设计仿真实验,证明了所提方法的有效性。

分布式相参雷达高精度时间同步单元的设计

为了提高分布式相参雷达的时间同步精度,利用FPGA使用灵活和并行执行的特点,设计了一种基于时间数字转换和恒比定时时刻鉴别法的高精度时间同步单元。叙述了高精度时间同步单元的硬件设计方案和软件实现流程。测试结果表明,应用恒比定时时刻鉴别法将时间间隔的测量精度平均提高了1.787 ns,时间同步单元的测量精度可达1 ns,分辨率为90 ps。

基于信号重建的分布式相参雷达相参参数估计算法

分布式相参雷达(distributed coherent aperture radar,DCAR)基于相参参数(coherent parameters,CPs)调整空间分布单元雷达发射和接收时的时间、相位,实现信号相参合成,以提高对空间关注区域的探测性能。故获得高精度的CPs估计是DCAR实现相参合成的前提。然而,估计CPs需要的理想同频正交信号并不存在,非理想正交信号间互相关能量泄漏严重制约CPs的估计性能。为此,提出一种基于重建-剥离-重建的信号处理框架来重建"干净"匹配滤波输出,再由重建的"干净"信号估计CPs的方法。仿真实验证明,该方法能有效抑制非理想正交信号间的互相关能量泄漏,并显著提升CPs的估计精度。

地基分布式相参雷达技术研究综述

地基分布式雷达是由多部单元雷达分置部署、协同工作实现目标探测的雷达系统,部署在地基平台,照射源除自身还可用合作、非合作跨平台照射源,各单元雷达间可信号级相参融合。传统集中式雷达在复杂场景中难以探测识别低可观测目标,分布式雷达有望解决上述瓶颈问题,并实现侦干探通一体化,因此分布式相参雷达体制是未来雷达形态发展的重要方向之一。分布式雷达体系复杂,涉及维度、要素多,须研究探索合理有效的工作范式。本文系统介绍了地基分布式相参雷达发展的新趋势和新技术,通过信号级融合处理,可形成大口径稀疏阵列,获得极窄的高增益波束,可采用更多更先进的信号处理算法探测和精确定位目标。本文介绍该领域最新的研究进展和代表性成果,围绕分布式相参增程探测、分布式相参成像、分布式相参抗干扰、分布式系统同步校准等四个方面的关键问题和技术难点展开论述,并对分布式雷达体制的前景进行了展望。

分布式相参雷达几何布置约束条件

分布式相参雷达(distributed coherent aperture radar,DCAR)通过调整空间分布单元雷达发射和接收时的时间、相位,实现信号相参合成,提高对空间关注区域的探测性能。然而单元雷达位置的布置会影响信号的相参性,进而影响DCAR的合成增益。针对在保证信号合成增益约束下的单元雷达几何布置问题,首先给出DCAR的3种典型结构,然后分析接收信号去相参性的来源,提出DCAR单元雷达几何布置的两个约束条件——信号相参性约束和相参参数可替代约束,建立了目标尺寸、探测距离、载频和视角之间的约束关系。最后通过仿真实验验证了所提出约束条件的合理性和正确性。

基于滤波器网格失配的分布式相参雷达目标参数估计方法

针对分布式相参雷达(distributed coherent aperture radar,DCAR)精确的目标参数估计问题,首先建立了以多普勒分复用(Doppler division multiple access,DDMA)波形作为发射波形、存在滤波器网格失配的DCAR信号模型,接着分析并验证了滤波器网格失配严重影响目标参数估计进而降低DCAR信号相参合成性能,最后提出了联合全局-局域搜索和基于稀疏傅里叶变换(sparse Fourier transform,SFT)的两种DCAR目标参数估计方法来降低滤波器网格失配,联合全局-局域搜索的方法通过对滤波器局域加密的方式降低网格失配。为了降低运算量,利用目标信号频率相对于整体频域是稀疏的特性,采用基于SFT搜索的方法通过梯度下降的方式避免滤波器的遍历搜索。仿真实验验证了所提方法的有效性。

基于特显点的机载分布式相参雷达同步误差校正方法

机载分布式相参雷达(DCAR)相比较于地基DCAR具有探测距离远、机动性高和部署灵活等优势,然而,载机平台运动使得机载DCAR面临更加严格的时间、空间和相位同步要求。为此,该文建立了基于慢时间码分多址(ST-CDMA)波形的机载DCAR信号模型及其矩阵表示形式,分析了时间、空间和相位同步误差对目标相参合成的影响,并提出一种基于特显点的机载DCAR同步误差校正方法。该方法首先采用目标参数搜索的方式消除滤波器网格失配误差;接着,利用基于目标的估计方法或者基于中继的估计方法完成单元位置误差校正;最后,利用特征结构方法校正等效幅相误差。仿真实验验证了所提方法的有效性。

动平台分布式相参雷达系统分析

分布式相参雷达通过相参处理,可提升N^3倍回波信噪比,从而可大幅度提高目标探测性能,因此分布式相参雷达具有重要的价值。对于地基分布式相参雷达,目前已经进行了大量的研究。本论文将分布式相参雷达系统扩展到运动平台,分析了运动平台下分布式相参雷达所面临的非均匀杂波背景下目标检测以及时/空/频(相)同步等挑战,并对相关问题进行了建模分析,最后对动平台分布式相参雷达系统进行了硬件搭建并对动平台雷达系统性能进行了初步的实验测试。

基于多特显点的无人机分布式相参雷达相位同步误差估计方法

分布式相参雷达(distributed coherent aperture radar,DCAR)实现全相参的关键是相位同步。然而,滤波器网格失配、单元雷达较强机动性及姿态变化等因素均会对DCAR的相位同步带来不利影响,为此,针对DCAR的相位同步问题,该文提出了一种基于多特显点的无人机DCAR相位同步误差估计方法。该方法首先提出了利用多项式迭代方法消除由于滤波器网格失配引进的残余相位,并根据惯导提供的姿态信息对DCAR回波进行姿态补偿,然后提出了利用Taylor估计法对各单元雷达位置误差进行估计,再根据自校正算法估计出了剩余相位误差,最后对DCAR系统校准以实现相位同步。仿真实验验证了研究结论的正确性。

动平台分布式相参雷达自校准性能分析

动平台分布式相参雷达可在保证雷达系统机动性、扩展性和低成本的同时获得高精度的目标估计性能。针对动平台分布式相参雷达存在的位置偏差和速度偏差,利用混合克拉美罗界(hybrid Cramer-Rao Bound,HCRB)工具对误差存在情况下的目标参数和雷达节点系统误差联合估计性能界进行建模和求解。对HCRB的紧致性进行分析之后,本文推导并仿真不可分辨情况下雷达节点系统误差对目标参数估计精度限制的解析式。通过解析式的推导,可以直观的分析雷达系统参数及拓扑参数对于目标参数估计精度的影响,有利于后续雷达系统硬件参数的选择和设计。

分布式相参雷达两种相参参数估计算法的性能比较

针对分布式相参雷达信号级融合的可行性问题,介绍相参融合原理,并以两节点分布式相参雷达为模型,仿真分析时延差与相位差的估计误差对SNR合成增益的影响,得到了相参性能良好条件下的参数估计精度要求。以此为依据,研究基于正交四相编码信号和OFDM-LFM信号的多种相参参数估计算法,仿真结果表明,在低目标回波信噪比下,峰值提取法优于互相关处理算法,多脉冲积累算法优于同算法下一维参数提取法,且各算法均受系统采样频率(时间测量精度)的影响,从而为多雷达间协同探测的模式选择提供了有利参考。

分布式相参雷达辐射场分析

分布式相参雷达因一改传统大口径雷达机动性差、造价昂贵等缺陷,故受到了雷达界广泛关注,同时,它也是下一代雷达发展的方向。分析了分布式雷达相参发射的基本原理,得到了相参合成的条件,采用电磁软件仿真了分布式相参雷达辐射场的特性。通过仿真发现:短基线相参雷达的相参合成区域呈现条纹状,在主波束范围内场强同样呈现条纹状;长基线相参雷达的相参合成区域呈现复杂的尖峰结构,在主波束范围内场强相比短基线雷达变化更为剧烈。研究结果对相参发射具有一定的指导意义。

分布式相参雷达相参性能的两种监控算法

分布式相参雷达(DCR)全相参模式相参性能的监控是一个重要问题。该文提出的两个监控算法均通过监控信噪比(SNR)增益来监控相参性能。SNR增益需要统计单路波形的SNR,难点也在于此。第一个监控算法针对单发射多接收天线(单发多收)体系,单路波形可以从单个接收天线直接获得,进而统计SNR增益。第二个监控算法针对多发单/多收体系,由于全相参模式下各发射天线的基带波形相同,因此多个发射天线的波形在单个接收天线处是叠加在一起的,无法用匹配滤波方法分离出单路波形,该文提出了辅助天线技术从而可以监控SNR增益。数值仿真表明了两种监控算法的有效性。

基于Kalman滤波的分布式全相参雷达相参参数估计方法

针对运动目标,提出了基于Kalman滤波的相参参数(时间差和相位差)估计方法,建立了雷达本地坐标系及目标本体坐标系,给出了目标的运动模型及相参参数的数学模型;提出了利用正交信号对相参参数进行估计的方法,通过对待估参数进行推导分析,建立了状态方程和量测方程,提出了利用Kalman滤波算法对相参参数测量值进行滤波以提高参数的估计精度;仿真分析验证了基于Kalman滤波的相参参数估计方法的有效性.

车载分布式雷达信号相参合成建模与误差分析

针对车载动平台分布式雷达相参合成的可行性问题,介绍相参融合原理。针对运动带来的误差问题,构建了平台及目标运动模型,推导出动平台分布式雷达下单双基地回波时延和相位的变化。基于运动模型,给出发射相参补偿方案。仿真分析了时间、相位同步误差,相参参数估计误差,多普勒频率以及定位精度对相参合成性能的影响,找出匀速运动模型下的边界条件,为车载动平台信号相参的工程实现提供参考指标。

共置天线的分布式相参MIMO雷达布阵优化研究

多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)雷达与传统相控阵雷达相比,其最大优势在于由天线孔径空间卷积带来的更高的角度分辨力。将多部X波段相控阵雷达组成共置天线的分布式相参MIMO雷达可以实现更窄的波束宽度,但随之而来的是严重的栅副瓣问题。以降低MIMO雷达稀布阵旁瓣电平为目标,对共置天线的分布式相参MIMO雷达阵地布置进行优化。仿真试验结果显示粒子群算法应用到该最大最小问题是有效和稳健的。

分布式MIMO雷达稀布阵列研究

针对短基线分布式MIMO雷达三维阵列特点,提出满足无遮挡约束下PSL最小的阵列优化准则以抑制栅瓣。给出不同阵列布局、不同单元雷达数量与孔径、扫描情况下PSL估计结果。数字仿真结果表明,分布式MIMO雷达密集布阵时,本文优化准则得到的圆环阵+大位置扰动可有效抑制栅瓣引起的PSL。

面向高轨目标监视的脉内步进频-循环相位编码信号及其模糊函数分析

该文针对高轨空间目标监视问题,研究分布式相参雷达体制的波形设计问题,其核心目标是需要在确保波形良好正交性的前提下兼顾信号的大时宽带宽。该文提出一种引入循环码概念的脉内步进频与相位编码复合调制的波形,首先给出了脉内步进频-相位编码信号的时域表达式,然后推导出其模糊函数和自相关主峰幅度,其次引入循环码概念与设计,最后将脉内步进频-循环相位编码信号与其他信号进行了对比。仿真结果表明,与单调制信号和脉间调制信号相比,脉内步进频-循环相位编码信号具有更好的正交性,同时保证了信号的大带宽,为后续全相参雷达波形设计研究工作提供了较好的理论支撑。

微波光子雷达组网技术

雷达组网是目前雷达领域的研究热点之一。通过对空间区域进行多角度、多频段、多域协同探测,雷达组网能够获取目标的多维度信息,并利用数据的融合处理进一步地提升系统的目标探测与识别性能。随着系统对信号质量、信息传输链路带宽以及系统同步精度等需求的日益增长,基于微波光子技术实现信号产生、传输和处理的雷达组网正逐渐获得研究者的关注。本文分析了微波光子雷达组网关键技术的工作原理,介绍了近年来国内外微波光子雷达组网的发展现状,并探讨了其未来的演进方向。