姓名：朱晶晶? ? 學號：20021110270

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節(jié)選自論文《基于環(huán)境感知的認知雷達抗干擾技術》，發(fā)表于《中國電子科學研究院學報》第11卷第6期

【嵌牛導讀】

雷達是通過與環(huán)境、目標相互作用來獲取信息的。在復雜的背景下，固定的工作模式和不變的發(fā)射波形很難取得滿意的性能，這是傳統(tǒng)雷達的不足，也是雷達進一步發(fā)展所必須解決的問題。

在整體能量、時間、頻譜等資源有限的情況下，如何根據目標、環(huán)境變化合理分配和有效利用這些資源是下一代雷達發(fā)展必須面對的挑戰(zhàn)。認知雷達可以根據目標和外部環(huán)境特性智能地選擇發(fā)射信號和工作方式以及進行資源最優(yōu)分配，被認為是未來雷達發(fā)展的重要方向之一。

【嵌牛鼻子】 雷達抗干擾、壓縮感知

【嵌牛正文】

1 認知雷達的發(fā)展

受蝙蝠回聲定位系統(tǒng)的啟發(fā)， S. Haykin?在2006年首次提出了認知雷達概念，并描述了認知雷達從發(fā)射到接收閉環(huán)的架構流程：

圖1 S.Haykin的認知雷達閉環(huán)架構流程圖

基于環(huán)境的感知、發(fā)射和接收的自適應以及知識輔助處理，J. R. Guerci提出了如下的認知雷達架構：

圖2 含有環(huán)境動態(tài)數據庫并具備自適應發(fā)射特性的認知雷達框圖

該認知雷達架構有以下特征：

（1）?實現了“發(fā)射機-天線發(fā)射-空間（信道）-天線接收-接收機-KA協處理-發(fā)射機”的自適應閉環(huán)。這種反饋也是圖Haykin關于認知雷達架構的必要組成部分。

（2）?包含了環(huán)境和感興趣目標信息的環(huán)境動態(tài)數據庫（EDDB）。這些信息由來自機內的信息源-傳感器的觀測記錄，也有來自機外的信息源-包括SAR、地理信息、編隊信息等。EDDB中的信息不斷動態(tài)更新的。

（3）?自適應發(fā)射機和接收機的知識輔助處理。

J. R. Guerci等人在以上理論的基礎上，又進一步將認知雷達的概念發(fā)展為認知全自適應雷達（COFAR）。該系統(tǒng)具有全自適應發(fā)射，接收、實時通道估計和控制調度功能。其架構組成如下：

圖3 認知全自適應雷達架構圖

認知雷達架構研究中的自適應發(fā)射和接收發(fā)展到全自適應發(fā)射和接收，環(huán)境動態(tài)數據庫發(fā)展到實時通道估計器，對環(huán)境的感知和對發(fā)射的反饋以及自適應調整都成為認知雷達區(qū)別于傳統(tǒng)雷達最核心的標志。認知雷達通過MIMO陣列進行環(huán)境的實時估計，為自適應發(fā)射和接收處理提供了依據。

需要說明的是，COFAR是雷達未來的發(fā)展方向，目前尚處于概念和理論研究階段，需要探索和解決的問題很多，距離全系統(tǒng)實現尚有相當長的路要走。不過并不妨礙將階段性成果在裝備中先行應用，為最終真正實現COFAR架構打下基礎。

2 電磁環(huán)境感知技術

電磁環(huán)境的感知，主要包括對干擾源方向和載波頻率信息的獲取。波達方向的估計方法有很多種，既有傳統(tǒng)的單脈沖比相測角、單脈沖比幅測角，也有分辨率更高的MUSIC（多重信號分類）算法。而載波頻率的獲取可以通過現代測頻技術實現。主要包括頻率取樣法和變換法等。

2.1 測向

利用陣列信號處理技術，可以實現同一個波束寬度內的多個信號源的DOA估計，MUSIC就是實現角度超分辨的經典方法。MUSIC基本原理是：首先根據實際數據估計得到X(t)的協方差矩陣R，再對R進行特征分解，構造信號子空間和噪聲子空間，將導向矢量與噪聲子空間之間的投影距離定義為MUSIC譜，通過在角度域上進行搜索，譜峰對應信源方向。MUSIC算法具有分辨率高、性能穩(wěn)定及精度高等特點，對小于陣元數的信源良好的DOA估計性能，得到了廣泛的應用。

利用MUSIC方法進行仿真，仿真條件為接收陣列為32陣元的等距線陣，陣元間距為半波長，干擾源個數為4， 角度設置分為全部來自副瓣和全部來自主瓣兩種情況，第一種情況角度分別為（-46°，-28°，32°，57°），干噪比JNR為10dB；第二種情況角度分別為（-3°，-1°，1°，3°），干噪比20dB。

圖4 MUSIC算法對副瓣干擾的方向估計

圖5 MUSIC算法對主瓣干擾的方向估計

比較了MUSIC、CAPON、DBF三種角度分辨方法對副瓣干擾和主瓣密集干擾分辨性能，見圖6和圖7。

圖6 三種算法對副瓣干擾的方向估計

圖7 三種算法對主瓣干擾的方向估計

從上圖可以看到，相比傳統(tǒng)波束形成和Capon方法，利用MUSIC方法可以得到的干擾源DOA估計更加可信，干擾源的數目和方向都能準確得到，窄帶相控陣雷達的測頻測向可用該方式進行。

2.2 測頻

對于寬帶信源和寬帶陣列，有兩種測頻方法：

一是基于窄帶系統(tǒng)，頻率依次搜索，實現全頻段電磁環(huán)境感知；

二是基于寬帶系統(tǒng)，采用寬帶信道化接收機實現頻域子帶化，對每個子帶進行高分辨測向。

前者原理簡單、系統(tǒng)復雜度不高，但需要耗費較多的時間資源；后者可快速完成全頻段測頻，但寬帶系統(tǒng)實現相對復雜得多。

信道化接收機利用頻率分路器將待測頻段進行分路，路數越多，則分成的頻段越窄，頻率分辨力和測頻精度越高。早期的信道化接收機都采用模擬方法，基本原理是利用波段分路器將系統(tǒng)的頻率覆蓋范圍分成多路，從各個波段分路器輸出的信號分別經過多組變頻器和中放，將信號變?yōu)閹捿^窄的基帶信號，再利用基帶濾波檢波陣列進行進一步的信號的濾波。最終經過信道綜合頻率測量處理機，進行門限檢測、邏輯判決等，輸出信號頻率的測量結果，通過編碼器編出信號頻率的分波段碼字。在實際應用中，由于頻率分路器的路數不能任意增多，并且微波領域無法獲得頻帶極窄的信道。但是隨著超高速大規(guī)模集成電路的發(fā)展，可以利用數字式接收機實現高性能的測頻接收機。

通過對射頻信號的直接或間接采樣，將模擬信號轉變成數字信號，然后充分利用數字信號處理的優(yōu)點，盡可能多地提取信號的信息。如利用FFT算法組成的數字快速傅里葉變換處理機，不僅能解決截獲概率和頻率分辨力之間的矛盾，實現對同時到達信號的濾波，而且測頻精度高。

圖8 基于多相濾波結構的數字信道化接收機原理框

3 認知抗干擾技術

3.1 認知波形優(yōu)化技術

通過環(huán)境感知,可以獲得干擾在頻譜上的分布。然后根據干擾分布，優(yōu)化發(fā)射波形，對干擾進行反匹配，可以達到抑制干擾的效果。下圖仿真了多徑干擾及最優(yōu)的發(fā)射波形，從圖中可以看出，最優(yōu)發(fā)射波形與干擾分布反匹配，抗干擾性能優(yōu)于線性調頻（LFM）。

圖9 認知波形設計

3.2 認知頻譜管理技術

微波頻段受到民用無線電的影響，變得十分擁擠。特別是無意通信干擾，調制類型復雜多樣，且功率較強，對雷達的影響較大。大部分通信信號帶寬較窄，可以通過感知通道感知干擾的頻譜分布，在頻譜上干擾較小的區(qū)域優(yōu)選頻點和帶寬，如下圖所示。

圖 10 選頻選帶寬

3.3 認知發(fā)射方向圖置零技術

在復雜的電磁環(huán)境中，面臨的干擾源多時，由于接收段自由度有限，常規(guī)處理性能會急劇下降。由于接收端的空域自由度是有限的，當干擾源較多或雜波自由度過高時，STAP處理性能將大幅降低。常規(guī)雷達是在接收端的處理，對發(fā)射端的利用極其有限。如果能將發(fā)射端的自由度加以利用，則能抑制的干擾源個數將會增加，處理性能會大幅提升。通過感知通道感知到干擾的強度和角度信息，然后采用發(fā)射方向圖置零的方法將干擾抑制。具體的流程如下圖所示：

圖11 基于感知信息的發(fā)射方向圖置零算法流程

設發(fā)射陣列為16陣元均勻線陣，陣元間距為半波長；在-35°、10°、和25°分別形成發(fā)射方向圖零點。對比靜態(tài)和最優(yōu)的發(fā)射方向圖如下所示。

圖12 發(fā)射方向圖置零仿真

結 語

雷達面臨的電磁環(huán)境日漸嚴峻，干擾的形式也更加復雜。認知雷達能夠感知外界環(huán)境，自適應優(yōu)選頻點和帶寬、調整發(fā)射波形和發(fā)射方向圖，具備比常規(guī)雷達更強的抗干擾能力的能力，為未來雷達的反干擾提供了新的方向。