复杂环境下多模式数字阵列雷达波形优化算法研究

Multifunction Digital Array Radar (DAR) that can operate in multiple modes has great potentials in detection and acquisition of weak targets in complex environments. Aiming to further enhance the system detection performance and estimation accuracy of DAR, we will study probing signal design to increase the degrees of freedom (DOF). This project firstly establishes realistic model for target, jamming/colored noise and clutter. Then with appropriate performance metric for DAR, we will study both the optimum and robust waveform optimization problems under the transmitted power constraint in jamming/colored noise and clutter respectively, for various operating modes of DAR, i.e., the DAR in multiple-input and multiple-output (MIMO) mode and in a phased array (PA) mode, respectively. Moreover, we will analyze the relationship between the optimized waveform and the target as well as its background. Furthermore, the distinctions and connections between the waveform design methods under various operating modes will be demonstrated. Afterwards, in order to satisfy the practical requirements in radar systems, we will work on the waveform design problem under the uniform elemental power constraint or/and the constant-envelope constraint, the finite alphabet constant-envelope constraint respectively. The results in this study will provide a valuable reference for the advancement of radar technology.

多功能多模式数字阵列雷达在复杂环境中的微弱目标信息获取方面具有重要的应用前景。进一步提升数字阵列雷达系统检测及估计性能的关键技术之一在于通过波形优化设计增加发射波形自由度。本课题从建立贴近工程实际的目标、有源干扰/色噪声及杂波模型入手，基于适当的系统性能评价准则，针对多输入多输出及相控阵两种数字阵列雷达工作模式，研究有源干扰/色噪声及杂波背景中在发射波形总功率约束下的最优及稳健波形优化算法，分析优化波形与目标及其背景之间的关系，阐明不同模式下波形设计方法的区别与联系。为了使得波形设计结果更加实用化，本课题进而考虑在发射通道等功率约束、发射波形恒模约束及波形有限相位约束下的波形优化算法。本课题的研究工作将为推动雷达新技术的发展提供重要参考价值。

多功能多模式数字阵列雷达在复杂环境中的微弱目标信息获取方面具有重要的应用前景。进一步提升数字阵列雷达系统检测及估计性能的关键技术之一在于通过波形优化设计增加发射波形自由度。.首先, 建立了数字阵列雷达的目标、干扰/色噪声以及杂波模型，提出了目标参数、杂波/干扰参数的估计方法，为后续的波形设计工作奠定了坚实的基础；对于工作在相控阵模式下的数字阵列雷达，提出了杂波/干扰/色噪声等复杂电磁环境下的波形设计方法。考虑到工程实际的需要，课题组提出了相应的快速低峰均比波形设计算法，其计算量远低于目前已有算法。针对目标和干扰先验知识不准确时导致波形性能下降的问题，提出了最优稳健波形设计算法，该波形保证了数字阵列雷达系统在不确定区域内的性能；为提高数字阵列雷达在强杂波及有源干扰中的检测性能，同时兼顾雷达发射机对于恒定包络波形的需求，以系统输出信杂噪比最大为优化准则，提出了数字阵列雷达恒模多波形及接收机权值的联合优化算法。该算法能够在迭代过程中不断增加输出信杂噪比直至算法收敛。此外，其相比于能量约束下的最优波形性能损失很小，能够实现自适应杂波抑制并改善目标检测性能；提出了基于相对熵的杂波背景中数字阵列雷达多波形优化算法。针对该情况下多波形设计难度大的问题，课题组设计了一种基于minorization-maximization方法的迭代算法来优化数字阵列雷达多波形，并基于Majorization理论巧妙地避开了其中非凸波形约束。该算法能够保证相对熵能够随着迭代次数不断增加直至算法收敛。此外，考虑到工程实际需求，将该算法进一步推广至包含低峰均比约束和相似性约束的情形。特别值得一提的是，该算法可以直接推广至其他体制的多波形雷达系统，例如双基地MIMO雷达系统和分布式MIMO雷达系统；为了提高机载数字阵列雷达在杂波和有源干扰背景中的检测性能，以系统输出信杂噪比最大为优化准则，基于空时自适应处理框架，提出了多波形优化算法，该算法能够确保找到全局最优解。针对目标导引矢量存在误差的实际问题，提出了稳健多波形优化算法，该算法不仅能够确保找到全局最优解，而且保证了所设计波形在目标导引矢量不确定集合内的输出信干噪比不低于设计值。. 在项目资助下，课题组先后在国内外权威刊物上发表论文32篇，其中SCI检索11 篇，EI 检索18 篇；培养研究生4名，在读研究生5名，获得军队科技进步奖3项。