专利名称：宽带认知被动雷达系统架构设计方法
技术领域：
本发明涉及被动雷达、电波传播、无线通信。具体讲涉及宽带认知被动雷达系统架构设计方法。
背景技术：
被动雷达技术是军民融合特殊应用、公众系统与专用系统相结合的典范，能有效提高频谱利用效率、改善环境、协同共存。被动雷达本质上是双(多)基地雷达，利用外部辐射源进行目标的探測和跟踪。其自身不辐射电磁波，因而具有较好的隐蔽性和“四杭”(抗干扰、抗低空突防、抗反辐射导弹、抗隐身)能力，同时也不需要进行频谱分配，可以有效提高频谱利用效率，并且不会对环境造成电磁污染；其只包含接收机，因而具有易携帯和低成本的特性；其不存在能量覆盖的问题，因而理论上无探测盲区[I]。由于具备上述特性，被动雷达已在现代电子战中占据重要地位，成为雷达领域的热点研究方向，对国防安全技术的发展具有重要意义。在被动雷达领域，随着无线通信技术的蓬勃发展，研究人员正致力于某种新的宽带无线通信照射源在被动雷达中应用的探索工作[2]。然而，现有的被动雷达系统均为単一体制，也就是说系统是根据某种特定的照射源设计的，一旦所处区域内无法获取这种照射源，被动雷达系统就无法正常工作。未来被动雷达照射源必将呈现出复杂异构的特点，这使得単一体制的被动雷达系统的应用受到很大局限。単一体制的被动雷达系统面临着其他照射源严重干扰带来的系统探测精度大大降低的问题。因此需要超前部署，提出一种多制式多标准兼容的被动雷达架构，有效地解决照射源复杂异构的问题。软件无线电技术和认知无线电技术[34]的出现掀起了ー场新的技术革命，为多制式多标准兼容的认知被动雷达系统的实现提供了可能性。Simon Hykin首次将认知无线电的概念引入雷达，所提出的认知雷达具备连续感知环境、快速调整系统參数以及快速处理数字信息的能力，并给出了动态闭环反馈认知雷达的系统框架[5]。认知雷达能利用智能学习过程，建立认知执行的循环，与所处的环境高度协同，逐步提高系统的性能。如果将认知的概念引入被动雷达，且该接收机能在很宽的频段内工作，则被动雷达系统可以通过智能学习的过程，根据对环境的感知，自动识别照射源并选择最佳照射源，从而实现对照射源的多制式多标准兼容，有效解决照射源复杂异构的问题。在认知-执行的循环中，宽带认知被动雷达还能根据对环境的感知动态调整接收机參数，使系统整体性能得以提高。但SimonHykin所提出的认知雷达需要将自适应延伸到发射机，因此所提出的认知雷达架构对于发射机不可控的被动雷达系统并不适用。參考文献[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.
发明内容
本发明g在解决克服现有技术的不足，提供一种面向未来复杂异构无线通信照射源的宽带认知被动雷达，契合目前被动雷达领域利用新理论探索新方法的发展态势，争取实现国防安全技术的重大突破，为被动雷达的研究另辟蹊径。为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，一种宽带认知被动雷达系统架构设计方法，其特征是，包括下列步骤将复杂异构无线通信的发射信号作为被动雷达照射源，分析其目标分辨率、最大探测距离和模糊性质；进而以频段、带宽、模糊函数性质作为特征值，利用机器学习建立基于未来宽带无线通信技术的被动雷达照射源库，并支持动态添加新照射源的功能，为多制式多标准兼容的宽带认知被动雷达提供照射源评估的先验信息；然后给出多制式多标准兼容的宽带认知被动雷达系统架构，给出快速自适应频谱感知方法，实现对环境的感知，最后根据环境反馈和照射源库提供的先验信息，动态选择最佳波形作为被动雷达照射源，实现复杂异构照射源的异构融合和择优工作。将复杂异构无线通信的发射信号作为被动雷达照射源，分析其目标分辨率、最大探测距离和模糊性质，具体步骤为计算双基地雷达目标分辨率得到具有大致相等回波幅度和任意恒定相位的目标在角度、距离、速度上能被区分的程度，基于无线通信信号模型，通过改变物理层參数，分布计算波形的目标分辨能力、最大探测距离和模糊函数，得出照射源物理层參数变化对被动雷达系统性能的影响规律。认知被动雷达系统包括软件无线电宽带接收机、雷达感知分析器和目标跟踪器；雷达感知分析器用于感知环境内的可用频谱，自动匹配并做出最佳照射源选择决策、对所选照射源进行来波方向估计；目标跟踪器则要能够根据感知分析器提供的所选照射源频率、带宽、来波方向等參数，自适应进行频域和空域滤波。雷达感知分析器是通过频谱感知模块感知环境内的可用频谱，频谱感知模块是，通过扫描一段很大的频谱范围，构造该段频谱上每一个频率分段上的功率谱密度，并认为具有较高功率谱密度的频段即是被动雷达潜在的照射源，即采用单一的射频链路，利用高速的数字信号处理技木，同时扫描整个宽带频段，宽带频谱感知方法等价为数字信号处理问题，需要确定宽带频谱中各个子带的位置，并对各个子带内的功率谱密度进行精细检測。雷达感知分析器是利用感知矩阵对信号进行欠采样，再利用已有的恢复算法重构出相应的频域信号，最后利用小波边缘探測器确定各个子带的位置，从而得到重构的频域信号和各个子带的具体位置。复杂异构无线通信的发射信号的获取及随时更改以形成满足要求的发射端，具体步骤如下正交频分复用OFDM的发射信号模型为
权利要求
1.一种宽带认知被动雷达系统架构设计方法，其特征是，包括下列步骤将复杂异构无线通信的发射信号作为被动雷达照射源，分析其目标分辨率、最大探测距离和模糊性质；进而以频段、带宽、模糊函数性质作为特征值，利用机器学习建立基于未来宽带无线通信技术的被动雷达照射源库，并支持动态添加新照射源的功能，为多制式多标准兼容的宽带认知被动雷达提供照射源评估的先验信息；然后给出多制式多标准兼容的宽带认知被动雷达系统架构，给出快速自适应频谱感知方法，实现对环境的感知，最后根据环境反馈和照射源库提供的先验信息，动态选择最佳波形作为被动雷达照射源，实现复杂异构照射源的异构融合和择优工作。
2.如权利要求I所述的宽带认知被动雷达系统架构设计方法，其特征是，将复杂异构无线通信的发射信号作为被动雷达照射源，分析其目标分辨率、最大探测距离和模糊性质，具体步骤为计算双基地雷达目标分辨率得到具有大致相等回波幅度和任意恒定相位的目标在角度、距离、速度上能被区分的程度，基于无线通信信号模型，通过改变物理层参数，分布计算波形的目标分辨能力、最大探测距离和模糊函数，得出照射源物理层参数变化对被动雷达系统性能的影响规律。
3.如权利要求I所述的宽带认知被动雷达系统架构设计方法，其特征是，认知被动雷达系统包括软件无线电宽带接收机、雷达感知分析器和目标跟踪器；雷达感知分析器用于感知环境内的可用频谱，自动匹配并做出最佳照射源选择决策、对所选照射源进行来波方向估计；目标跟踪器则要能够根据感知分析器提供的所选照射源频率、带宽、来波方向等参数，自适应进行频域和空域滤波。
4.如权利要求I所述的宽带认知被动雷达系统架构设计方法，其特征是，雷达感知分析器是通过频谱感知模块感知环境内的可用频谱，频谱感知模块是，通过扫描一段很大的频谱范围，构造该段频谱上每一个频率分段上的功率谱密度，并认为具有较高功率谱密度的频段即是被动雷达潜在的照射源，即采用单一的射频链路，利用高速的数字信号处理技术，同时扫描整个宽带频段，宽带频谱感知方法等价为数字信号处理问题，需要确定宽带频谱中各个子带的位置，并对各个子带内的功率谱密度进行精细检测。
5.如权利要求I所述的宽带认知被动雷达系统架构设计方法，其特征是，雷达感知分析器是利用感知矩阵对信号进行欠采样，再利用已有的恢复算法重构出相应的频域信号，最后利用小波边缘探测器确定各个子带的位置，从而得到重构的频域信号和各个子带的具体位置。
6.如权利要求I所述的宽带认知被动雷达系统架构设计方法，其特征是，复杂异构无线通信的发射信号的获取及随时更改以形成满足要求的发射端，具体步骤如下 正交频分复用OFDM的发射信号模型为
7.如权利要求I所述的宽带认知被动雷达系统架构设计方法，其特征是，频谱感知具体步骤为 假设宽带范围内的潜在照射源由k个互不重叠、分段平滑的子带组成，且频谱的起始和终止频率点都是确定的，采用压缩感知以及小波边缘检测方法进行宽带认知频谱感知记rt是接收到的信号r(t)的N点采样数据，利用一个KXN阶感知矩阵O对rt进行测量，得到一个K维向量xt，k < < N，则xt = Ort (5) 完成对模拟信号r(t)的欠采样，得到一个长度为K的离散序列xt，由傅里叶变换得认知信号r(t)的频谱表示为rf = FMrt (6) 对(6)式作傅里叶逆变换，得rt = Fs^rf,将其带入(5)式，得 xt= WsT1) rf (7) 其中Fm和F,分别表示傅立叶变换矩阵及其逆变换矩阵，1>表示信号r(t)的频域响应；选择合适的感知矩阵O，通过已有的信号重构算法，从⑵式中重构频域信号吞:重构岑的问题通过求解(8)式所描述的线性凸优化问题来完成min| |rf| 1 (8) s. t. xt = (OFM-1)rf 其中，s.t.表示使...符合，要确定各个子带的具体位置，将&经过小波边缘检测器实现； 对&进行小波变换，得到一组小波变换系数g(f)
8.如权利要求I所述的宽带认知被动雷达系统架构设计方法，其特征是，双基地雷达距离分辨率定义为双基地雷达能分辨的两个目标之间的最小间距
全文摘要
本发明涉及被动雷达、电波传播、无线通信。为提供一种面向未来复杂异构无线通信照射源的宽带认知被动雷达，契合目前被动雷达领域利用新理论探索新方法的发展态势，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，宽带认知被动雷达系统架构设计方法，包括下列步骤将复杂异构无线通信的发射信号作为被动雷达照射源；利用机器学习建立基于未来宽带无线通信技术的被动雷达照射源库；然后给出多制式多标准兼容的宽带认知被动雷达系统架构；最后根据环境反馈和照射源库提供的先验信息，动态选择最佳波形作为被动雷达照射源，实现复杂异构照射源的异构融合和择优工作。本发明主要应用于被动雷达的设计制造。
文档编号G01S7/02GK102680962SQ20121015679
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月18日 优先权日2012年5月18日
发明者汪清, 韩博 申请人:天津大学