專利名稱：寬帶認知被動雷達系統架構設計方法
技術領域：
本發(fā)明涉及被動雷達、電波傳播、無線通信。具體講涉及寬帶認知被動雷達系統架構設計方法。
背景技術：
被動雷達技術是軍民融合特殊應用、公眾系統與專用系統相結合的典范，能有效提高頻譜利用效率、改善環(huán)境、協同共存。被動雷達本質上是雙(多)基地雷達，利用外部輻射源進行目標的探測和跟蹤。其自身不輻射電磁波，因而具有較好的隱蔽性和“四杭”(抗干擾、抗低空突防、抗反輻射導彈、抗隱身)能力，同時也不需要進行頻譜分配，可以有效提高頻譜利用效率，并且不會對環(huán)境造成電磁污染；其只包含接收機，因而具有易攜帯和低成本的特性；其不存在能量覆蓋的問題，因而理論上無探測盲區(qū)[I]。由于具備上述特性，被動雷達已在現代電子戰(zhàn)中占據重要地位，成為雷達領域的熱點研究方向，對國防安全技術的發(fā)展具有重要意義。在被動雷達領域，隨著無線通信技術的蓬勃發(fā)展，研究人員正致力于某種新的寬帶無線通信照射源在被動雷達中應用的探索工作[2]。然而，現有的被動雷達系統均為単一體制，也就是說系統是根據某種特定的照射源設計的，一旦所處區(qū)域內無法獲取這種照射源，被動雷達系統就無法正常工作。未來被動雷達照射源必將呈現出復雜異構的特點，這使得単一體制的被動雷達系統的應用受到很大局限。単一體制的被動雷達系統面臨著其他照射源嚴重干擾帶來的系統探測精度大大降低的問題。因此需要超前部署，提出一種多制式多標準兼容的被動雷達架構，有效地解決照射源復雜異構的問題。軟件無線電技術和認知無線電技術[34]的出現掀起了ー場新的技術革命，為多制式多標準兼容的認知被動雷達系統的實現提供了可能性。Simon Hykin首次將認知無線電的概念引入雷達，所提出的認知雷達具備連續(xù)感知環(huán)境、快速調整系統參數以及快速處理數字信息的能力，并給出了動態(tài)閉環(huán)反饋認知雷達的系統框架[5]。認知雷達能利用智能學習過程，建立認知執(zhí)行的循環(huán)，與所處的環(huán)境高度協同，逐步提高系統的性能。如果將認知的概念引入被動雷達，且該接收機能在很寬的頻段內工作，則被動雷達系統可以通過智能學習的過程，根據對環(huán)境的感知，自動識別照射源并選擇最佳照射源，從而實現對照射源的多制式多標準兼容，有效解決照射源復雜異構的問題。在認知-執(zhí)行的循環(huán)中，寬帶認知被動雷達還能根據對環(huán)境的感知動態(tài)調整接收機參數，使系統整體性能得以提高。但SimonHykin所提出的認知雷達需要將自適應延伸到發(fā)射機，因此所提出的認知雷達架構對于發(fā)射機不可控的被動雷達系統并不適用。參考文獻[1]N J Willis, Bistatic radar, USA :Artech House,1991. 15-57[2]H. Kuschel and D. 0，Hagan, “Passive radar from history to future,，，inProc. 2010 IIthInternationalRadar Symposium(IRS), Vilnius, Lithuania, June 2010,pp. 1-4.
[3] S. Haykin,“ Cognitive radio br a i n-emp o wer e d wirelesscommunications,，，IEEE Journal on Selected Areas in Communications,vol. 23,no. 2,pp. 201-220, Feb. 2005.[4]J. Mitola III and G. Q. Maguire Jr, “Cognitive radio making softwareradios more personal,，，IEEE Personal Communications, vol. 6, no. 4, pp. 13-18,Aug. 1999.[5] S. Haykin, “Cognitive radar :a way of the future,，，IEEE SignalProcessing Magazine, vol. 23, no. I, pp.30-40,Jan 2006.

發(fā)明內容
本發(fā)明g在解決克服現有技術的不足，提供一種面向未來復雜異構無線通信照射源的寬帶認知被動雷達，契合目前被動雷達領域利用新理論探索新方法的發(fā)展態(tài)勢，爭取實現國防安全技術的重大突破，為被動雷達的研究另辟蹊徑。為達到上述目的，本發(fā)明采取的技術方案是，一種寬帶認知被動雷達系統架構設計方法，其特征是，包括下列步驟將復雜異構無線通信的發(fā)射信號作為被動雷達照射源，分析其目標分辨率、最大探測距離和模糊性質；進而以頻段、帶寬、模糊函數性質作為特征值，利用機器學習建立基于未來寬帶無線通信技術的被動雷達照射源庫，并支持動態(tài)添加新照射源的功能，為多制式多標準兼容的寬帶認知被動雷達提供照射源評估的先驗信息；然后給出多制式多標準兼容的寬帶認知被動雷達系統架構，給出快速自適應頻譜感知方法，實現對環(huán)境的感知，最后根據環(huán)境反饋和照射源庫提供的先驗信息，動態(tài)選擇最佳波形作為被動雷達照射源，實現復雜異構照射源的異構融合和擇優(yōu)工作。將復雜異構無線通信的發(fā)射信號作為被動雷達照射源，分析其目標分辨率、最大探測距離和模糊性質，具體步驟為計算雙基地雷達目標分辨率得到具有大致相等回波幅度和任意恒定相位的目標在角度、距離、速度上能被區(qū)分的程度，基于無線通信信號模型，通過改變物理層參數，分布計算波形的目標分辨能力、最大探測距離和模糊函數，得出照射源物理層參數變化對被動雷達系統性能的影響規(guī)律。認知被動雷達系統包括軟件無線電寬帶接收機、雷達感知分析器和目標跟蹤器；雷達感知分析器用于感知環(huán)境內的可用頻譜，自動匹配并做出最佳照射源選擇決策、對所選照射源進行來波方向估計；目標跟蹤器則要能夠根據感知分析器提供的所選照射源頻率、帶寬、來波方向等參數，自適應進行頻域和空域濾波。雷達感知分析器是通過頻譜感知模塊感知環(huán)境內的可用頻譜，頻譜感知模塊是，通過掃描一段很大的頻譜范圍，構造該段頻譜上每一個頻率分段上的功率譜密度，并認為具有較高功率譜密度的頻段即是被動雷達潛在的照射源，即采用單一的射頻鏈路，利用高速的數字信號處理技木，同時掃描整個寬帶頻段，寬帶頻譜感知方法等價為數字信號處理問題，需要確定寬帶頻譜中各個子帶的位置，并對各個子帶內的功率譜密度進行精細檢測。雷達感知分析器是利用感知矩陣對信號進行欠采樣，再利用已有的恢復算法重構出相應的頻域信號，最后利用小波邊緣探測器確定各個子帶的位置，從而得到重構的頻域信號和各個子帶的具體位置。復雜異構無線通信的發(fā)射信號的獲取及隨時更改以形成滿足要求的發(fā)射端，具體步驟如下正交頻分復用OFDM的發(fā)射信號模型為
權利要求
1.一種寬帶認知被動雷達系統架構設計方法，其特征是，包括下列步驟將復雜異構無線通信的發(fā)射信號作為被動雷達照射源，分析其目標分辨率、最大探測距離和模糊性質；進而以頻段、帶寬、模糊函數性質作為特征值，利用機器學習建立基于未來寬帶無線通信技術的被動雷達照射源庫，并支持動態(tài)添加新照射源的功能，為多制式多標準兼容的寬帶認知被動雷達提供照射源評估的先驗信息；然后給出多制式多標準兼容的寬帶認知被動雷達系統架構，給出快速自適應頻譜感知方法，實現對環(huán)境的感知，最后根據環(huán)境反饋和照射源庫提供的先驗信息，動態(tài)選擇最佳波形作為被動雷達照射源，實現復雜異構照射源的異構融合和擇優(yōu)工作。
2.如權利要求I所述的寬帶認知被動雷達系統架構設計方法，其特征是，將復雜異構無線通信的發(fā)射信號作為被動雷達照射源，分析其目標分辨率、最大探測距離和模糊性質，具體步驟為計算雙基地雷達目標分辨率得到具有大致相等回波幅度和任意恒定相位的目標在角度、距離、速度上能被區(qū)分的程度，基于無線通信信號模型，通過改變物理層參數，分布計算波形的目標分辨能力、最大探測距離和模糊函數，得出照射源物理層參數變化對被動雷達系統性能的影響規(guī)律。
3.如權利要求I所述的寬帶認知被動雷達系統架構設計方法，其特征是，認知被動雷達系統包括軟件無線電寬帶接收機、雷達感知分析器和目標跟蹤器；雷達感知分析器用于感知環(huán)境內的可用頻譜，自動匹配并做出最佳照射源選擇決策、對所選照射源進行來波方向估計；目標跟蹤器則要能夠根據感知分析器提供的所選照射源頻率、帶寬、來波方向等參數，自適應進行頻域和空域濾波。
4.如權利要求I所述的寬帶認知被動雷達系統架構設計方法，其特征是，雷達感知分析器是通過頻譜感知模塊感知環(huán)境內的可用頻譜，頻譜感知模塊是，通過掃描一段很大的頻譜范圍，構造該段頻譜上每一個頻率分段上的功率譜密度，并認為具有較高功率譜密度的頻段即是被動雷達潛在的照射源，即采用單一的射頻鏈路，利用高速的數字信號處理技術，同時掃描整個寬帶頻段，寬帶頻譜感知方法等價為數字信號處理問題，需要確定寬帶頻譜中各個子帶的位置，并對各個子帶內的功率譜密度進行精細檢測。
5.如權利要求I所述的寬帶認知被動雷達系統架構設計方法，其特征是，雷達感知分析器是利用感知矩陣對信號進行欠采樣，再利用已有的恢復算法重構出相應的頻域信號，最后利用小波邊緣探測器確定各個子帶的位置，從而得到重構的頻域信號和各個子帶的具體位置。
6.如權利要求I所述的寬帶認知被動雷達系統架構設計方法，其特征是，復雜異構無線通信的發(fā)射信號的獲取及隨時更改以形成滿足要求的發(fā)射端，具體步驟如下 正交頻分復用OFDM的發(fā)射信號模型為
7.如權利要求I所述的寬帶認知被動雷達系統架構設計方法，其特征是，頻譜感知具體步驟為 假設寬帶范圍內的潛在照射源由k個互不重疊、分段平滑的子帶組成，且頻譜的起始和終止頻率點都是確定的，采用壓縮感知以及小波邊緣檢測方法進行寬帶認知頻譜感知記rt是接收到的信號r(t)的N點采樣數據，利用一個KXN階感知矩陣O對rt進行測量，得到一個K維向量xt，k < < N，則xt = Ort (5) 完成對模擬信號r(t)的欠采樣，得到一個長度為K的離散序列xt，由傅里葉變換得認知信號r(t)的頻譜表示為rf = FMrt (6) 對(6)式作傅里葉逆變換，得rt = Fs^rf,將其帶入(5)式，得 xt= WsT1) rf (7) 其中Fm和F,分別表示傅立葉變換矩陣及其逆變換矩陣，1>表示信號r(t)的頻域響應；選擇合適的感知矩陣O，通過已有的信號重構算法，從⑵式中重構頻域信號吞:重構岑的問題通過求解(8)式所描述的線性凸優(yōu)化問題來完成min| |rf| 1 (8) s. t. xt = (OFM-1)rf 其中，s.t.表示使...符合，要確定各個子帶的具體位置，將&經過小波邊緣檢測器實現； 對&進行小波變換，得到一組小波變換系數g(f)
8.如權利要求I所述的寬帶認知被動雷達系統架構設計方法，其特征是，雙基地雷達距離分辨率定義為雙基地雷達能分辨的兩個目標之間的最小間距
全文摘要
本發(fā)明涉及被動雷達、電波傳播、無線通信。為提供一種面向未來復雜異構無線通信照射源的寬帶認知被動雷達，契合目前被動雷達領域利用新理論探索新方法的發(fā)展態(tài)勢，為達到上述目的，本發(fā)明采取的技術方案是，寬帶認知被動雷達系統架構設計方法，包括下列步驟將復雜異構無線通信的發(fā)射信號作為被動雷達照射源；利用機器學習建立基于未來寬帶無線通信技術的被動雷達照射源庫；然后給出多制式多標準兼容的寬帶認知被動雷達系統架構；最后根據環(huán)境反饋和照射源庫提供的先驗信息，動態(tài)選擇最佳波形作為被動雷達照射源，實現復雜異構照射源的異構融合和擇優(yōu)工作。本發(fā)明主要應用于被動雷達的設計制造。
文檔編號G01S7/02GK102680962SQ20121015679
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月18日 優(yōu)先權日2012年5月18日
發(fā)明者汪清, 韓博 申請人:天津大學