[发明专利]互补波形构建方法及模块、认知雷达系统及波形发射方法

说明书

一种互补波形构建方法及模块、认知雷达系统及波形发射方法，解决了现有的互补波形构建方法无法提供足够的、灵活的多普勒容忍性的问题，属于雷达发射技术领域。本发明的波形构建方法包括：根据需求确定输入参数，构建常数向量和常数矩阵；在给定的高阶多普勒频谱零点约束和能量约束下，以最大化接收脉冲权重与给定窗函数的相似度为优化目标，构建约束优化问题；求解，获取发射顺序向量和接收脉冲权重向量，进一步再构造发射脉冲串和接收参考信号，完成互补波形构建。将所述方法利用计算机获得互补波形构建模块，并结合雷达和波形哭组成认知雷达系统，其波形发射方法能够智能地选择发射普通脉冲串和多普勒容忍的互补波形脉冲串，实现目标检测。

技术领域

本发明涉及一种面向弱目标探测的多普勒鲁棒的互补波形构建方法、构建模块、认知雷达系统及波形发射方法，本发明属于雷达目标探测、雷达波形设计与分集技术领域。

背景技术

严重杂波环境中的低、慢、小目标，如城市中非法飞行的小型无人机等，对现有的主动雷达和对空监视系统构成了严峻的挑战。“低”意味着环境中存在着大量来自起伏的地形、建筑物、其他目标和多径效应的信号相关干扰，即杂波；“慢”使得传统的动目标指示/检测(MTI/MTD)、脉冲多普勒(PD)等杂波抑制技术难以取得良好的效果；“小”则导致目标回波微弱，易被杂波淹没。

现代雷达普遍发射具有大时宽-带宽积的脉冲压缩波形，以求在保证距离分辨力的同时提高平均发射功率。雷达匹配滤波器的时域输出可以看作发射波形非周期自相关函数(ACF)与探测场景冲激响应的卷积。因此，ACF刻画了雷达波形在距离分辨力、距离估计精度和抗杂波干扰等方面的固有能力。一个理想波形的ACF是一个狄拉克δ函数。该函数只在零时刻取非零值，其他时刻的值均为零，即只有主瓣没有距离旁瓣。然而，由于物理条件的限制，这种完美的自相关特性是不可能实现的。一个实际波形的ACF除了包括一个位于零时刻的、尖锐的主瓣外，还包括一系列位于非零时刻的、较低的距离旁瓣。这意味着，如果场景中存在两个大小悬殊的目标，尽管它们处于不同的距离分辨单元，弱目标可能会被强目标所产生的距离旁瓣遮蔽而变得不可见。典型地，一个小型无人机的雷达散射截面积(RCS)为0.1～0.01m²，而楼房的RCS通常高达几百乃至上千m²，当采用常见的线性调频(LFM)波形时，建筑物对无人机的遮蔽效应如图2所示。

为防止强散射体的距离旁瓣遮蔽弱目标，提升严重杂波环境中弱目标的检测能力，雷达应当采用具有较低旁瓣的脉冲压缩波形。在距离旁瓣抑制方面，相位编码(PC)波形具有优良的表现。PC波形的ACF主要取决于调制该波形的离散相位编码序列的ACF。经典的相位编码序列包括巴克码(Barker)、最小峰值旁瓣码(MPS)等二相编码，以及多项巴克码、线性调频类编码(Frank码、Px码等)等多相编码。采用基于数值优化的迭代算法，可以设计出大量具有低旁瓣特性的任意相位编码序列。然而，这些序列的旁瓣抑制效果相当有限。当序列长度为于64时，归一化的峰值旁瓣电平普遍高于-30dB，如图3所示，无法满足我们的需求。

鉴于单个序列的ACF不可能完全消除旁瓣，研究者们转而提出了互补序列集(CSS)的概念。一个CSS包含若干个等长序列，这些序列的ACF函数之和仅在零时刻取非零值，即具有理想的自相关特性。最原始、最简单的CSS仅包含一对二相序列，它首先由Golay于1949年提出，因此被称为Golay互补序列对(GP)。1960年，Welti独立地重新发现了CSS(他将其称之为D类编码)，并首次提出将其用于相参脉冲雷达。基于CSS的脉冲间捷变雷达波形似乎是抑制距离旁瓣的完美方案，但其实具有严重的缺陷。当一个CSS以时间分集的形式发射时，即使一个很小的脉冲间多普勒相移因子也会破坏它的互补特性，导致相当高的距离旁瓣。这种多普勒敏感性是阻碍互补波形走向实用的主要障碍。