有色噪声背景下自适应雷达波形优化设计

仅以提高雷达检测性能为目标所设计的发射波形通常具有较高距离旁瓣和峰均比,不利于微弱信号检测和实际工程应用。针对上述问题,提出目标信号子空间加权的自适应波形优化方法。给出利用环境中有色噪声的统计特性改善目标检测性能的系统模型,选取目标-有色噪声矩阵的大特征向量构成目标信号子空间,建立在该子空间上优化加权系数使发射波形满足自相关性能和峰均比约束的目标函数,并采用序列二次规划算法进行求解。该方法所优化发射波形能有效抑制有色噪声,同时获得较好的自相关特性和峰均比,改善雷达综合性能。仿真结果表明了该方法的有效性和灵活性。     

一种综合考虑目标检测与估计的波形设计方法

讨论了在综合考虑目标检测与估计性能的条件下,雷达发射波形的优化设计问题.由于衡量目标检测与估计性能的直接指标是信噪比(SNR)和互信息(MI),文中采用将SNR作为约束条件下最大化MI的准则,通过引入发射信号的自相关序列将优化目标转发为凸优化问题,进而优化设计发射波形.仿真实验的结果表明,利用该方法所设计的波形能够满足输出SNR约束(对于目标检测性能)且同时能够最大化MI(对应目标估计性能).     

基于凸优化方法的认知雷达低峰均比波形设计

为了提高雷达发射波形的检测性能,同时使发射机发挥其最大效能,以发射波形的低峰均比(PAR)为约束条件,该文提出了一种信号相关杂波背景下的认知雷达发射波形和接收机滤波器联合优化方法。首先,面向距离扩展目标检测问题,构建关于雷达输出信干噪比(SINR)的优化模型;然后将该模型转化为Rayleigh商形式,给出了接收机权值的解析表达式;在此基础上,通过半正定松弛,将关于发射波形半正定矩阵的非凸问题转化为凸问题,求得发射波形的最优矩阵解;最后,将秩1近似法和最近邻方法相结合,从最优矩阵解中提取出发射波形的最优向量解。该方法在给定PAR取值范围内可使波形的输出SINR达到最大,PAR=2时波形的SINR值与能量约束下优化波形的SINR值相同,并且比PAR=1时所得波形高出约0.5 dB。仿真结果验证了所提方法的有效性。      

杂波环境中雷达通信一体化系统波形设计算法研究

针对杂波环境中雷达通信一体化系统探测性能下降的问题,该文以信干噪比作为设计准则,通过联合优化系统发射波形和接收滤波器来抑制杂波,进而增强目标探测性能。为同时保证系统信息传输的质量,将通信信号的多用户干扰能量纳入约束条件。此外,引入相似性约束使得发射波形具有良好的模糊函数。为求解发射波形和接收滤波器联合优化问题,提出了一种基于循环优化和半正定松弛的迭代算法。理论分析证明了算法的收敛性。仿真结果表明,所设计的波形不仅可以提升系统在杂波环境中的目标探测性能,而且可以高效地实现多用户通信。      

面向频谱共存的MIMO雷达波形设计综述

多输入多输出（multiple-input multiple-output, MIMO）雷达良好的空间分集和波形分集能力使其在目标检测和参数估计等方面有着传统雷达无法比拟的突出优势。然而,随着信息技术的快速发展,雷达和通信系统对频谱资源的需求日益增长。频谱资源稀缺导致雷达和通信系统势必出现竞争频谱资源的问题,进而使得二者相互干扰并导致性能下降。针对面向频谱共存的MIMO雷达波形设计问题,介绍了MIMO雷达的基本概念、信号模型以及信号处理任务,对MIMO雷达波形设计问题的一般形式,以及面向典型应用场景的波形设计问题进行了概述。为通过发射波形设计提高MIMO雷达在频谱拥塞环境中的性能,对频谱约束下的MIMO雷达波形设计、MIMO雷达与通信系统协同设计和雷达通信一体化等领域的研究进展进行了系统的评述和总结,并展望了下一步的研究方向。     

MIMO雷达分组正交波形集优化设计方法

在现代电子对抗中,数字射频存储(DRFM)设备能够快速截获机载脉冲多普勒雷达信号,能够实现对多输入多输出(MIMO)雷达的干扰。MIMO雷达可基于多组相互正交的波形集来对抗DRFM干扰。同时,为最大化MIMO雷达波形分集增益,每个脉冲内发射的波形也需要正交。为了平衡组内和组间的正交性,文中建立了一种分组正交波形集优化模型,其目标函数为组内和组间相关函数性能评估指标值的加权和;为了求解该优化问题,提出了一种分组正交波形集设计方法。所提方法将原优化问题简化为p-范数优化问题,基于MM算法导出了最小化目标函数的迭代求解表达式。仿真结果表明,所提方法可通过改变权重系数来灵活平衡MIMO雷达的干扰抑制性能和距离压缩性能。     

干扰背景下MIMO雷达部分相关信号设计

在干扰背景下,集中式MIMO雷达可以通过设计发射波形提高系统的输出信干噪比,然而优化后的波形通常会具有较高的自相关旁瓣,降低了接收机对弱目标的检测性能。该文提出一种干扰背景下MIMO雷达部分相关信号设计方法。该方法在兼顾发射信号峰均比(PAPR)的同时,在发射天线对正交恒模波形进行加权处理,并以最大化接收机系统的输出信干噪比为准则建立目标函数,给出一种基于拟牛顿法的连续优化算法求解目标函数,获得最优加权,使得系统的输出信干噪比得到提升。仿真结果表明,该方法能够有效地抑制干扰,并可自适应地将发射信号能量辐射向目标方向,提高系统输出信干噪比。     

MIMO雷达方向图与稀疏频率波形联合设计

发射方向图设计与波形优化是MIMO雷达领域的热点,随着研究的深入越来越需要考虑包括频谱特性在内的雷达系统工作环境特性。针对采用传统波形容易产生互相干扰的频谱拥挤情况,本文提出了一种MIMO雷达方向图与稀疏频率波形联合设计方法。一方面保证了将能量集中辐射到所感兴趣的区域上的探测性能,另一方面由得到的稀疏频率波形可以避免MIMO雷达系统与其他同频工作设备互相干扰。该方法首先根据MIMO雷达方向图与波形矩阵的关系,列出具有稀疏频率约束与恒模约束的目标函数式;然后通过从期望方向图到自相关矩阵,再到恒模稀疏频率波形的步骤,应用循环算法求解目标函数;最后所得结果波形的方向图接近期望方向图,同时结果波形具有稀疏频率特性和良好的自相关特性。仿真结果验证了文中方法的有效性。      

组网雷达低自相关旁瓣和互相关干扰的稀疏频谱波形设计方法

组网雷达在提高目标检测、跟踪和抗干扰性能方面表现出巨大潜力,但也存在高自相关距离旁瓣和各节点雷达间波形的互相关干扰问题,同时还面临工作频段拥塞问题,尤其是工作在高频(HF)至超高频(UHF)的宽带组网雷达。针对上述问题,该文在信号恒模约束下,建立联合优化功率谱密度(Power Spectrum Density, PSD),以及自相关和互相关函数积分旁瓣电平(Integrated Sidelobe Level, ISL)的波形设计目标函数。利用离散傅里叶变换性质和特征子空间分解,提出一种低运算复杂度的循环迭代算法求解该目标函数。仿真结果表明,优化后各节点雷达发射波形具有稀疏频谱特性,同时还具有低自相关和互相关干扰旁瓣,所提算法具有较高的运算效率。     

一种新型的低旁瓣MIMO雷达发射波形设计方法

该文通过对经典低旁瓣MIMO雷达发射波形设计方法的改进,提出一种新型的低旁瓣MIMO雷达发射波形设计方法。该方法首先引入发射波形主瓣下界、主瓣上界两个参数,并设定主瓣下界的值;其次分别以最小化峰值旁瓣、最小化积分旁瓣为目标函数,以发射信号协方差矩阵半正定、各阵元发射信号恒功率为约束条件,在此基础上,在约束条件中加入对主瓣波动的限制,建立半正定规划优化问题,并且可通过设定不同的主瓣上界的值来控制主瓣波动、抑制旁瓣;最后利用一次凸优化算法得到全局最优解。仿真结果表明,该方法在只需求解一次凸优化问题的前提下,所设计波形旁瓣降低且可控。     

非准确先验知识下认知雷达低峰均比稳健波形设计

针对目标和杂波先验知识不准确时认知雷达的检测波形设计问题,同时兼顾功率放大器对低峰均比(PAR)波形的需求,该文提出一种信号相关杂波背景下认知雷达低PAR稳健波形设计方法。首先,在目标和杂波不确定集范围内,基于极大极小化准则构造关于输出信干噪比(SINR)的优化模型;然后将不确定性参数代入该模型,给出最差SINR下对应杂波协方差矩阵和目标Toeplitz矩阵的取值;在此基础上,利用半正定松弛,将非凸的优化模型转化为关于发射波形半正定矩阵的凸问题进行求解;最后,通过秩1近似法结合最近邻方法,进一步从波形的最优矩阵解中提取出最优向量解。分析表明,在稳健性能相同的情况下,与现有方法相比该算法具有更低的运算量,仿真结果验证了所提方法的有效性和稳健性。     

峰均功率比约束下扩展目标波形优化

针对包络约束条件下扩展目标最优检测波形设计,提出了峰均功率比约束条件下最优检测波形优化方法。首先,建立了扩展目标信号模型;然后,通过将恒定包括约束转换成峰均功率比约束,推导出该约束下扩展目标最优检测波形优化模型;并将该非凸模型转换成易于求解的凸优化模型,由此获得了恒定包络和低起伏包络条件下的最优检测波形;最后,以某典型扩展目标为例,仿真对比了不同约束参数下波形的检测性能,验证了优化所得恒定包络、低起伏包络波形相比于传统Barker 码波形具有更好的检测性能。     

基于迭代凸优化的恒模波形合成方法

针对认知雷达合成的时域恒模波形能量谱误差大的问题,该文提出了一种基于迭代凸优化的恒模波形合成方法。该方法首先将波形合成过程转化成峰均功率比(PAPR)约束下的优化问题,克服了常规波形合成过程中时域和频域独立优化导致的整体收敛速度慢,局部最优值能量谱误差大的问题。其次通过最小化加权误差矢量值(WEVM)降低阻带功率水平,提高干扰及强杂波抑制能力。最后通过一系列变换操作将优化问题转化成二阶锥规划(SOCP)问题求解。计算机仿真验证了所提算法的有效性。     

互补码设计稀疏频率雷达波形

在频谱拥挤环境下,同频窄带干扰对雷达系统目标探测性能有较大的影响。针对此问题,稀疏频率波形是一个好的解决方案。波形在频谱上稀疏分布的特性可以有效地抑制同频干扰,自相关函数的低旁瓣特性保证了雷达的探测性能。本文提出了一种应用互补码设计稀疏频率波形的方法。首先,考虑两个序列的自相关函数,利用互补码良好的自相关特性,建立目标函数;其次,采用功率与旁瓣两种约束分别设计稀疏频率波形,适应不同的场景需求;最后,通过数值仿真比较,分析旁瓣抑制性能,验证优化设计方法的有效性。      

一种空-频联合最优滤波的被动宽带检测方法

常规宽带能量检测在多目标、强干扰环境下输出信噪比(SNR)降低,检测性能大幅度下降。针对此问题,该文提出一种将子阵导向最小方差(STMV)宽带空域自适应波束形成与频域Eckart滤波结合的空-频联合最优滤波宽带检测方法。该方法首先通过子阵导向最小方差波束形成进行空间自适应处理,利用自适应波束形成的干扰抑制能力在空域实现最优滤波;然后通过最大似然估计实时估计信号和噪声的功率谱,构造Eckart滤波对自适应波束形成的输出分配不同权重进行加权滤波,从而实现频域信噪比最大化。所提方法通过空-频联合最优滤波,降低空域旁瓣干扰和频带内噪声的影响,使得输出信噪比最大,从而有效地改善目标宽带检测能力,提高被动声呐的宽带检测性能。仿真和试验数据处理结果验证了该方法的有效性。     

信号相关杂波背景中极化雷达发射波形优化

波形优化可有效抑制干扰,显著改善雷达探测性能。针对全极化雷达,考虑发射波形满足能量和相似性双重约束,以最大化信杂噪比为准则,对发射波形和接收滤波器进行联合优化。该文设计了一种波形和滤波器的迭代优化算法,该方法序贯提高输出信杂噪比。算法的每一次迭代需要分别解决一个凸问题和隐凸问题,整个算法的计算量与迭代次数和接收滤波器长度分别呈线性和多项式关系。最后,通过仿真实验分析了算法的收敛性、优化波形的模糊度函数方面的性质,与其他算法进行了对比,结果表明:与现有方法相比,该文方法可实现信杂噪比的有效提升。     

信号相关杂波背景中极化雷达发射波形优化

波形优化可有效抑制干扰,显著改善雷达探测性能.针对全极化雷达,考虑发射波形满足能量和相似性双重约束,以最大化信杂噪比为准则,对发射波形和接收滤波器进行联合优化.该文设计了一种波形和滤波器的迭代优化算法,该方法序贯提高输出信杂噪比.算法的每一次迭代需要分别解决一个凸问题和隐凸问题,整个算法的计算量与迭代次数和接收滤波器长度分别呈线性和多项式关系.最后,通过仿真实验分析了算法的收敛性、优化波形的模糊度函数方面的性质,与其他算法进行了对比,结果表明:与现有方法相比,该文方法可实现信杂噪比的有效提升.     

An active-set approach for OFDM PAR reduction via tone reservation

Common to all orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) systems is a large peak-to-average-power ratio (PAR), which can lead to low power efficiency and nonlinear distortion at the transmit power amplifier. Tone reservation uses other unused or reserved tones to design a peak-cancelling signal that lowers the PAR of a transmit OFDM block. In contrast to previous methods, the new active-set method proposed here converges very quickly toward a minimum-PAR solution at a lower computational cost. An efficient real-baseband algorithm is well suited for discrete multitone (DMT) modulation over twisted-pair copper wiring, where some subchannels may have an insufficient SNR to reliably send data. The real PAR problem occurs in the analog signal before the power amplifier, and results focus on this figure of merit. The performance of oversampling before applying PAR reduction is analyzed, and results show that this is necessary to sufficiently handle the analog PAR problem. An extension of the real-baseband technique can be applied to complex-baseband signals to help reduce PAR in wireless and broadcast systems. By sacrificing 11 out of 256 OFDM tones (4.3%) for tone reservation, over 3 dB of analog PAR reduction can be obtained for a wireless system.     

Downlink resource allocation in multi-carrier systems: frequency-selective vs. equal power allocation

This paper revisits equal power allocation from the viewpoint of asymptotic network utility maximization (NUM) problem in multi-carrier systems. It is a well-known fact that the equal power allocation is near optimal to the sum capacity maximization problem in high SNR (Signal-to-Noise Ratio) regime, i.e., optimal water-filling approximates to equal power allocation in that case. Due to this property together with its simplicity, the equal power allocation has been adopted in several researches, but its performance in other problems has not been clearly understood. We evaluate the suitability of equal power allocation in NUM problem which turns into various resource sharing policies according to utility functions. Namely, our conclusion is that in frequency selective channels, the equal power allocation is near optimal for efficiency-oriented resource sharing policy, but when fairness is emphasized, its performance is severely degraded and thus frequency-selective power allocation is necessary. For this, we develop a suboptimal subcarrier and frequency-selective power allocation algorithm for asymptotic NUM problem using the gradient-based scheduling theory and compare the performance of equal power allocation and the developed algorithm. Extensive simulation results are presented to verify our arguments.