100250232张云凯-欧洲各国当前雷达技术
基于动态超表面天线的雷达通信一体化设计
doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2023.05.021引用格式:高克,张海洋,王保云.基于动态超表面天线的雷达通信一体化设计[J].无线电通信技术,2023,49(5):946-952.[GAO Ke,ZHANG Haiyang,WANG Baoyun.Beamforming Design for Dual-functional Radar-communication Systems with Dynamic Metasurface Antennas[J].Radio Communications Technology,2023,49(5):946-952.]基于动态超表面天线的雷达通信一体化设计高㊀克,张海洋,王保云(南京邮电大学通信与信息工程学院,江苏南京210003)摘㊀要:雷达通信一体化(Dual-Functional Radar-Communication,DFRC)利用相同的硬件平台㊁频谱资源同时实现雷达感知和无线通信双功能,是当前无线通信领域研究的热点技术㊂针对动态超表面天线(Dynamic Metasurface Antenna,DMA)辅助的雷达通信一体化系统,研究了最优波束成形设计问题㊂最优波束成形设计是一个非凸优化问题,很难直接求解㊂设计全数字天线架构下的最优波束,将动态超表面天线雷达波束设计转换为拟合最优编码矩阵问题㊂转换后的波束设计问题仍为非凸,为此将其分解为两个子问题交替最小化,其中两个子问题分别采用黎曼共轭梯度和半正定松弛算法求解㊂数值仿真表明,满足通信质量约束的情况下,动态超表面天线架构的DFRC 雷达波束性能接近于无频谱共享时的纯雷达波束性能㊂关键词:雷达通信一体化;动态超表面天线;交替最小化;黎曼共轭梯度;半正定松弛中图分类号:TN929.5㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀开放科学(资源服务)标识码(OSID):文章编号:1003-3114(2023)05-0946-07Beamforming Design for Dual-functional Radar-communicationSystems with Dynamic Metasurface AntennasGAO Ke,ZHANG Haiyang,WANG Baoyun(Communication and Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China)Abstract :Dual-Functional Radar-Communication (DFRC)uses same hardware platform and spectrum re-sources to realize dualfunctions of radar detection and wireless communication simultaneously,which is a hot topic in the field of wireless communications.Forthe Dynamic Metasurface Antennas (DMA)-assisted DFRC system,an optimal beamforming design problem is studied.The optimalbeamforming design is a non-convex optimization problem that is difficult to solve directly.In this paper,an optimal beam with a digitalantenna architecture is designed first,and then the dynamic metamaterial antenna radar beam design is converted into a fitting optimalcoding matrix problem.Though the resulting design problem is still non-convex.it can be decom-posed into two sub-problems and then been solved alternately.In particular,the two sub-problems are solved by riemannian conjugate gradient and semidefinite relaxation algo-rithms,respectively.Finally,numerical results show that the performance of our proposed beamforming design for DMA-assisted DFRC system is close to that of the radar only beamforming without communication requirement.Keywords :DFRC;DMA;alternate minimization;riemannian conjugate gradient;semidefinite relaxation收稿日期:2023-05-050 引言随着5G 时代的到来,无线设备数量和种类均呈现出了爆发性增长,全球通信产业对无线频谱的需求日益迫切㊂有很多场景需要感知与通信联合设计,例如:自动驾驶㊁智慧城市和智能家居等[1]㊂与此同时,随着无线通信速率需求的不断提高,载波频率被推向了传统上分配给雷达系统的毫米波频率频段[2]㊂未来后5G 及6G 时代,为提高频谱效率以及降低雷达与通信系统之间的电磁干扰问题,雷达通信一体化(Dual-Functional Radar-Communication,DFRC)系统成为了一个有前途的热门研究领域㊂在雷达通信一体化系统中,雷达与通信系统之间共享相同的硬件平台和频谱资源,同时实现通信和雷达感知的双功能㊂在雷达通信一体化系统中,由于雷达和通信具有不同的需求且共享相同的资源,因此需要精心设计传输波束以平衡二者的性能㊂为了在保证通信用户服务质量的同时提高雷达的性能,文献[3]研究了发射波束成形优化设计㊂针对全数字天线架构,文献[4]考虑波束之间的相互干扰因素,设计了性能更优的雷达波束㊂考虑到全数字天线功耗大㊁成本高的问题,目前对雷达通信一体化系统研究比较广泛的是基于相移器的混合波束天线架构[5-10],其中文献[5-6]研究了设计模拟和数字预编码矩阵,使其与最优通信预编码矩阵和最优雷达波束预编码矩阵之间误差的加权总和最小;文献[7-8]研究主要集中在雷达波束与理想波束差距小于一定阈值作为约束条件,最大化用户通信质量;文献[9-10]研究了在保证用户通信质量前提下,最优化雷达波束性能,其雷达的波束性能直接由雷达接收机的信干扰加噪声比(Signal to Interference plus Noise Ratio, SINR)决定㊂智能超表面是当前无线通信领域的另外一个研究热点,其可用于增强无线通信盲区覆盖㊁物理层辅助安全通信㊁大规模D2D(Device-to-Device)通信㊁物联网中无线携能通信以及室内覆盖等领域[11]㊂然而,智能超表面除了用来做被动的反射外,还可以用来实现低功耗的主动收发天线㊂动态超表面天线(Dynamic Metasurface Antennas,DMA)是一种典型的基于超表面天线的收发天线㊂在基于DMA的收发器中,每个超表面天线单元是由低功耗的超表面组成,且每个天线单元的幅频特性可以动态实时调控[12]㊂DMA天线架构可以被视为混合模拟数字天线架构,即它不需要额外的专用模拟相移器网络,仅利用自身的信号处理功能便可实现模拟预编码[13]㊂此外,DMA可以包含大量可调谐的超表面天线元件,并且其天线单元之间的距离可以是亚波长,DMA需要的物理面积可以更小,有助于设备的小型化[14]㊂1㊀系统模型和问题描述1.1㊀系统模型雷达通信一体化系统场景示意图如图1所示,一个雷达通信一体化基站拥有N T根天线,为K个单天线用户提供通信服务并探测区域内目标㊂基站使用的动态超表面天线架构,其由数字预编码矩阵㊁L T条射频链路和模拟预编码矩阵组成㊂图1㊀雷达通信一体化系统场景示意图Fig.1㊀Schematic diagram of DFRC基带信号表示为sɪKˑ1,s i~(0,1),iɪ{1, 2, ,K}为第i个用户接收到的信息符号㊂发射信号可以表示为:y=UF DMA F BB s,(1)式中:F DMAɪN TˑL T为DMA天线模拟预编码矩阵, F BBɪN DMAˑK为数字预编码矩阵,DMA微带内的信号传播公式为:u i,j=e-ρi,j(αi+jβi),∀i,j,其中αi为波导衰减系数,βi为波数,ρi,j表示第i微带中第l个单元的位置,其中U((i-1)L+l,(i-1)L+l)=u i,l,L为每条微带上单元的个数[13]㊂功率约束条件为 UF DMA F BB 2FɤP max,P max为基带最大分配功率㊂F DMA矩阵满足以下形式[15]:F DMA=t10 00t2 0︙︙︙00 t L Téëêêêêêùûúúúúú,(2)式中:t iɪN TN DMAˑ1,非零相q i,l=j+e jφi,l2,{φi,lɪ[0,2π]}ɪF DMA,∀i,l㊂雷达在θ角方向的传输功率波束图可以表示为:P(θ;R)=a H(θ)Ra(θ),(3)式中:RɪN TˑN T为传输波束的协方差矩阵,R= UF DMA F BB ss H F H BB F H DMA U-H=UF DMA F BB F H BB F H DMA U H㊂对于N个天线单元的均匀线性天线阵列,其导向矢量为:a(θ)=1N[1,e j2πλdsin(θ), ,e j2πλd(N-1)sin(θ)]T,(4)式中:λ为信号波长,d=λ/2为天线单元间距㊂雷达在θ1和θ2两角之间的波束互相关可以表示为:P c(θ1,θ2;R)=a H(θ1)Ra T(θ2)㊂(5)由式(3)和式(5)可以看出,雷达的传输功率波束图和波束互相关都是由传输波束的协方差矩阵R决定㊂通过波束方向误差和波束互相关两部分的加权和组成一个损失函数,用损失函数评估雷达性能㊂第一部分可以用接收到的波束与理想波束之间的均方差来评估:L r,1(R,α)=1LðL l=1|αd(θl)-P(θl;R)|2,(6)式中:α为比例因子,d(θl)为θl方向理想接收波束㊂第二部分用波束互相关均方差来评估:L r,2(R)=2P2-PðP-1p=1㊀ðP q=p+1|P c(θ-p,θ-q);R|2㊂(7)㊀㊀将以上两部分加权和后,雷达波束图的损失函数表示为:L r(R,α)=L r,1(R,α)+ωL r,2(R)㊂(8)在本文雷达通信一体化系统中,假设通信用户是单天线的,则第k个用户接收信号为:y k=h H k UF DMA F BB,k s k+ðK iʂk h H k UF DMA F BB,i s i+n k,(9)式中:h kɪN Tˑ1为基站与第k个用户之间的下行通道,n k~(0,σ2k)为第k个用户加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise,AWGN)㊂第k个用户接收信号的SINR可以表示为:γk=|h H k UF DMA F BB,k|2σ2k+ðK iʂk|h H k UF DMA F BB,i|2㊂(10)1.2㊀问题描述雷达通信一体化系统需要权衡通信和雷达之间的性能㊂基于动态超表面天线的雷达通信一体化系统,在保证每个通信用户的SINR高于给定阈值前提下的式(10),使雷达传输波束的性能达到最优的式(8)㊂另外,加上预编码矩阵有功率限制和模拟预编码矩阵相位限制的式(2),雷达通信一体化系统传输波束成形设计问题可以表示为:㊀min FBB,F DMA L r(R,α)㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀s.t.㊀ UF DMA F BB 2FɤP max,F DMA(i,l)=j+e jφi,l2,φi,lɪ[0,2π],|h H k UF DMA F BB,k|2σ2k+ðK iʂk|h H k UF DMA F BB,i|2ȡΓ,(11)式中:Γ为给定用户的SINR阈值㊂式(11)涉及到数字预编码矩阵和模拟预编码矩阵的联合设计,并且问题本身也是非凸的,很难求解㊂当天线架构为全数字天线架构时,该问题对应的问题容易求解,并且在用户SINR满足一定阈值时,其最优预编码矩阵获得的波束与理想波束十分相似㊂因此可以先求出全数字天线最优预编码矩阵,然后将动态超表面天线的模拟预编码矩阵和数字预编码矩阵拟合全数字天线的最优预编码矩阵,由此得到动态超表面天线的模拟与数字最优预编码矩阵㊂2㊀雷达通信一体化波束成形设计2.1㊀基于全数字天线架构先设计基于全数字天线架构的雷达通信一体化系统预编码矩阵W,使其在满足功率约束和用户SINR高于一定阈值前提下,雷达波束性能达到最优㊂其问题表示为:㊀㊀㊀min R L r(R,α)s.t.㊀R=WW HɪS+MW 2FɤP max|h H k w k|2σ2k+ðK iʂk|h H k w i|2ȡΓ,(12)式中:w i为W的第i列,W=(w1,w2 ,w K)㊂将第三个约束化简后的问题为:min R,RkL r(R,α)s.t.㊀R=WW HɪS+MW 2FɤP maxRkɪS+M,rank(R k)=1,k=1,2, ,K(1-Γ-1)h H k R k h kȡh H k Rh k+σ2k,(13)式中:R k=w k w H k,R=ðK k=1R k㊂由于其中的约束条件rank(R k)=1,k=1,2, , K是非凸的,可以先将其松弛掉,松弛后的问题是凸问题:min R,RkL r(R,α)s.t.㊀R=WW HɪS+MW 2FɤP maxRkɪS+M,k=1,2, ,K(1-Γ-1)h H k R k h kȡh H k Rh k+σ2kW=(w1,w2, ,w K),R k=w k w H k㊂(14)可以用Matlab中CVX工具箱求得最优解:R^, R^k,k=1,2, ,K㊂如果式(14)全局最优解满足R^kɪS+M,k=1,2, ,K 秩为1,那么求解式(13)中使用的松弛就是紧的,即松弛后问题的解也是原非凸问题的解㊂定理1㊀式(13)存在最优解R ~,R ~k ,k =1,2, ,K ,满足rank(R ~k )=1,k =1,2, ,K ㊂证明㊀R ^,R ^i ,i =1,2, ,K 为式(14)的全局最优解,将R ^,R ^i,i =1,2, ,K 做以下变换:R ~=R ^,w ~i =(h H i R ^i h i )-1/2R ^i h i ,R ~i =w ~i w ~H i ,R ~,R ~i ,i =1,2, ,K 为半正定矩阵且秩为一㊂因为R ~=R^,并且式(13)和式(14)的最终问题是相同的,所以R ~是式(13)全局最优解㊂现在只要证明R ~,R ~i ,i =1,2, ,K 为式(13)的可行解,则R ~,R ~i ,i =1,2, ,K 为式(13)的全局最优解㊂由于h H kR ~k h k =h H kw ~k w ~H k h k =h H k R ^k h k ,将其带入到(1-Γ-1)h H k R ~k h k=(1-Γ-1)h H k R ^k h k ȡh H k R ^k h k +σ2k =h H k R ~k h k +σ2k 满足式(13)的限制条件㊂所以R ~,R ~i ,i =1,2, ,K 为原问题的全局最优解㊂由定理1可知将式(14)最优解做以下变换:R ~=R ^,w ~k =(h H k R ^k h k )-1/2R ^k h k ,R ~k=w ~k w ~H k ,R ~k ɪS +M ,k=1,2, ,K 且秩为1,并且R ~仍为原问题的解㊂由此可以求解得到全数字天线最优预编码矩阵的列向量w k ,全数字天线架构的最优预编码矩阵W 也就可以求出㊂2.2㊀基于动态超表面天线架构在上节求解得到了全数字天线最优预编码矩阵,本节设计动态超表面天线架构预编码矩阵,使雷达通信一体化系统在满足功率约束㊁模拟预编码矩阵相位约束和通信用户信干扰加噪声比高于一定阈值前提下,最优拟合全数字天线预编码矩阵,其问题表示为:min F BB ,F DMAUF DMA F BB -W ~2Fs.t.㊀ UF DMA F BB 2F ɤP maxq i ,l =j +ej φi ,l2,φi ,l ɪ[0,2π]}{ɪF DMA ,∀i ,l|h H kUF DMA F BB,k|2σ2k+ðKi ʂk|h H kUF DMA F BB,i|2ȡΓ㊂(15)由于此问题不是凸问题,故将问题分解成设计两个子问题相互迭代来求解,两个子问题分别设计数字和模拟预编码矩阵㊂然而,数字和模拟预编码矩阵的设计问题都是非凸问题㊂为此,本文分别采用半正定松弛(Semidefinite Relaxation,SDR )技术[16-17]和黎曼共轭梯度(Riemannian Conjugate Gra-dient,RCG)算法[18]分别设计最优数字和模拟预编码矩阵㊂2.2.1设计模拟预编码矩阵当固定数字预编码矩阵F BB 设计最优模拟预编码矩阵时,限制条件只有模拟预编码矩阵的相位限制㊂其问题为:min FDMAUF DMA F BB -W ~2Fs.t.㊀q i ,l =j +ej φi ,l2,φi ,l ɪ[0,2π]}{ɪF DMA ,∀i ,l ㊂(16)由于问题是矩阵形式,不方便求解,所以将矩阵向量化:min FDMAUF DMA F BB -W ~2F =min F DMA(F T BB U )vec(F DMA )-w 2F ,式中:w =vec(W ~)㊂因为vec(F DMA )中的元素除了相位限制元素,其他为零元素㊂由于零元素的具体位置是已知的,所以可以先将零元素剔除掉㊂令q 为vec(F DMA )去除零元素后的向量,A 为(F T BB U )去除掉与vec(F DMA )零元素相对应的列向量㊂此时的问题转换为:㊀min F DMA(F T BB U )vec(F DMA )-w 2F =min q(Aq -w )H (Aq -w )=min qq H A H Aq -2q H A H w +w H w ㊂(17)由于模拟预编码矩阵的非零元素q i ,l 可以描述为圆心点为0,12e j π2(),半径为12的复平面圆上:q i ,l -12e j π2=12,定义向量b 为:b k =2q k -e j π2,所以q =12b +e j π21(),|b k |=1㊂最终可以将问题转换为关于向量b 的问题:min bq H A H Aq -2q H A H w +w H w =min b 14b +e j π21()H A H A b +e j π21()-b +e j π21()H A H w +w H w s.t.㊀|b k |=1ɪb ,(18)这时搜索空间为N T 个复数圆上,是一个N T的黎曼子流形,可以通过RCG 求得最优解b opt ㊂其中该问题的黎曼梯度为Δf (bt +1k)=AH㊃12A b t +1k +e j π21()-w ()㊂由于F DMA 非零位置是已知的,所以将最优解bopt扩展成矩阵形式,可以得到最优模拟预编码矩阵F opt DMA ㊂2.2.2设计模拟预编码矩阵当固定模拟预编码矩阵F DMA 时,限制条件为预编码矩阵功率约束和通信SINR 阈值约束,其问题为:㊀㊀㊀㊀min F BBUF DMA F BB -W ~ 2F㊀㊀㊀㊀s.t.㊀ UF DMA F BB 2FɤP maxh H k UF DMA F BB,k2σ2k+ðKi ʂk|h H kUF DMA F BB,i |2ȡΓ㊂(19)由于式(19)中第二个限制条件F BB 是按列展开的,所以将问题中的矩阵F BB 和W ~也按列展开:ðKk =1UF DMA F BB,k-W ~k 2F =ðK k =1F H BB,k F H DMA U H UF DMA F BB,k -2F H BB,k F H DMA U H W ~k +W ~Hk W ~k ㊂(20)展开后的问题并不容易求解,引入辅助变量t 2=1,可以化解成二次约束二次规划问题(Quadrati-cally Constrained Quadratic Programs,QCQP):v -k =F BB,kt(),Q k =F H DMA U H UF DMA ,-F H DMA U HW ~k ㊀㊀-W ~H k UF DMA ,W ~H k W ~k(),F H BB,k F H DMA U H U F DMA F BB,k -2F H BB,k F H DMA U H W ~k +W ~H k W ~k=v -H k Q v -k ㊂但此时,由于式(20)中第二个限制条件是非凸的,所以该问题也是非凸的㊂引用SDR 技术将问题进行化简,令V k =v -k v -H k ,rank(V k )=1,可以将问题简化为SDR 的标准形式:min V k ðKk =1tr(Q k V k )s.t.㊀ðKk =1trF H DMA U HUF DMA ,00,()V k ()ɤP max ,∀k ,trH k ,00,0()V k ()Γ-ðKi ʂktrH k ,00,()V i ()ȡσ2k ,tr0K ∗K ,00,1()V k ()=1,V k ȡ0,rank(V k )=1,H k =F H DMA U H h k h Hk UF DMA ㊂(21)由于约束项rank(V k )=1是非凸的,先将其松弛掉,之后的问题是凸问题,可以用Matlab 中CVX 工具箱求最优解V opt k ㊂如果该问题可解或有界,则ðKk =1[rank(V opt k )]ɤK +1,又因为每个用户的SINR 阈值限制,最优解满足:rank (V opt k )ȡ1,所以其最优解满足rank(V opt k )=1㊂由此证得rank(V k )=1的松弛是紧的,V opt k是原问题的最优解㊂F opt BB,k 是V optk的最大特征向量乘以最大特征值的平方根,因此,可以得到最优数字预编码矩阵F opt BB ㊂3 仿真分析本节采用数值仿真验证DMA 雷达通信一体化设计算法的性能,并且与全数字天线架构㊁基于相移器的混合波束天线架构和理想雷达波束进行对比㊂考虑雷达通信一体化基站的天线为均匀线性天线阵列,总发射功率为1W 和天线数量为24,其为用户提供通信服务并探测区域内目标㊂在探测区域内设置了方向为-40㊁0ʎ和40ʎ的3个理想目标,其波束表达式为:d (θ)=1,θ0-Δ2ɤθɤθ0+Δ20,㊀㊀otherwise{,(22)式中:Δ为理想波束的宽度,设置为2ʎ㊂当系统设计的DMA 射频链路为12个,信噪比设置为20dB 时,不同天线架构随角度变化的波速比较如图2所示㊂不同天线架构在满足用户需求前提下,使雷达波束达到最优的仿真,图中K =0㊁FD㊁DMA 和BP 线分别为理想目标波束㊁全数字天线架构波束㊁DMA 天线架构波束和基于相移器架构波束㊂可以看出,全数字天线的雷达波束图基本与理想的波束重合,DMA 天线架构和基于相移器架构也很好地还原了最优波束图,并且从中很容易查找出在-40ʎ㊁0ʎ和40ʎ方向有目标,因为这3个方向的波束峰值明显高于其他方向㊂图3是在4个通信用户SINR 的阈值从6dB 调整到14dB,不同天线架构随角度变化的波束比较㊂图2与图3对比可知,在通信用户阈值提高的情况下,DMA 架构和基于相移器的混合架构的目标雷达波束图峰值有明显的变差㊂图4是在6个通信用户信SINR 的阈值为6dB 情况下,不同天线架构随角度变化的波束比较㊂图2与图4对比可知,服务通信用户增加,目标雷达波束图峰值会变差㊂图5是在4个通信用户信SINR 的阈值为6dB,功率约束调整为2W 情况下,不同天线架构随角度变化的波束比较㊂图2与图5对比可知,增加发射功率,图5中目标雷达波束图峰值接近图2中目标峰值的2倍㊂图2㊀不同天线架构随角度变化的波束比较Fig.2㊀Comparison of beams varying by angle fordifferent antennaarchitectures图3㊀调整用户SINR 后的波束比较Fig.3㊀Beam comparison after adjusting theuser sSINR图4㊀调整用户个数后的波束比较Fig.4㊀Beam comparison after adjusting the number ofusers图5㊀调整功率约束后的波束比较Fig.5㊀Beam comparison after adjusting power constraints图6展示了基于DMA 的雷达一体化系统在不同发射功率情况下,用户SINR 阈值约束和雷达波束性能之间的权衡㊂可以看出,在发射功率一定时,随着用户SINR 阈值的增加,DMA 天线预编码矩阵与全数字天线预编码矩阵之间的均方差也在增加,并且发射功率为2W 时的均方差明显大于功率为1W 的设计㊂这是因为当通信质量要求增加时,为满足用户质量需要消耗更多的功率,而生成雷达波束的功率会变少,雷达波束性能也会变差㊂因此,降低通信质量要求,可以提高雷达波束性能㊂图6㊀用户SINR 阈值与雷达波束均方差之间关系Fig.6㊀Relationship between the user s SINR threshold andthe mean square deviation of the radarbeam4 结束语本文研究了基于动态超表面天线的雷达通信一体化系统,设计了相应的最优波束成形策略㊂采用了数字预编码矩阵与模拟预编码矩阵设计联合交替优化设计,分别应用半正定松弛和黎曼共轭梯度算法求解㊂数值仿真结果表明,所提算法设计的动态超表面天线架构的雷达通信一体化系统,在满足通信用户性能的前提下,其雷达性能接近理想雷达波束㊂动态超表面天线架构与基于相移器的混合波束天线架构整体性能相似,其雷达通信一体化系统中雷达与通信性能之间存在负相关,雷达性能随着通信性能的提高而降低㊂参考文献[1]㊀刘凡,袁伟杰,原进宏,等.雷达通信频谱共享及一体化:综述与展望[J].雷达学报,2020,10(3):467-484. 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S 模式雷达和ADS-B 数据在空管自动化系统中的应用
1S模式雷达及ADS-B原理S模式雷达起源于美英，其最初出现的目的是解决飞机数量逐渐增大带来的普通二次雷达异步干扰问题。
S模式雷达具有全呼和选呼功能，实现对安装有S模式应答机的飞机进行点名式询问，有效降低了异步干扰和同步串扰，且对数据精度处理能力更强，还具备地空数据通信能力。
ADS-B即广播式自动相关监视系统，将飞机数据以ADS-B报文形式通过空-空、空-地数据链广播式传播。
ADS-B最初是为了满足非雷达覆盖区域的监视需求使用的，具备数据传输快、精度高、成本低的特点。
ADS-B按照收发信息的方向分为ADS-B IN和ADS-B OUT两种类型，目前广泛应用的是ADS-B OUT技术。
山东分局目前主用NUMEN-2000自动化系统，备用华泰英翔自动化系统。
目前两套自动化系统均具备S模式和ADS-B数据处理功能。
本文以NUMEN-2000自动化系统为例，分析系统对S模式和ADS-B数据的处理。
2自动化系统数据处理2.1雷达数据处理S模式的应用提高了系统相关计算的效率和准确性。
相对于A/C模式雷达数据报文格式为CAT001和CAT002，S模式雷达报文格式为CAT034和CAT048。
除A/C模式雷达具备的二次代码、位置、高度、速度外，S模式雷达还可提供地址码（I048/210）、航班号（I048/240）、磁航向、飞行员选择高度、真空速等新数据项。
NUMEN2000自动化系统对这些数据进行解析和计算，生成单雷达航迹，再根据单雷达航迹生成系统航迹。
在生成系统航迹时，判断是否为同一目标时，除考虑位置距离、高度差、二次代码、航迹号外，还增加了地址码相关因子，并令其具有最高权重，除非距离过大，否则只要是地址码相同，就会被判断为同一目标。
2.2ADS-B数据处理ADS-B报文格式为CAT021，NUMEN2000系统将单路ADS-B数据经过解析、计算，生成单路ADS-B航迹，进而融合成ADS-B航迹，系统把融合后的ADS-B航迹作为一路独立监视信号源，和其他各路单雷达航迹一起，加入多雷达融合计算，生成系统航迹。
基于ConvLSTM的改进雷达回波外推方法研究
基于 !",JM:3) 的改进雷达回波外推方法研究
赵玉娟% 李宗飞% 陈凯华% 王!彦" 朱男男$ 李祥海% 姜罕盛%
!%> 天津市气象信息中心&天津!$###*'$"> 天津市人工影响天气办公室&天津!$###*'$ $> 天津海洋中心气象台&天津!$###*'"
摘要海上大风及其引发的次生灾害是导致海洋气象灾害的主要因素$雷达观测数据是临近预报主要参考数据之一&准确的 雷达外推数据对于提升海上强对流大风临近预报能力极为关键$面向海上大风预报需求和大风天气雷达回波特征&从输入数据格 式 和 损 失 函 数 两 方 面 对 KL2UeO8b 进 行 改 进 & 在 损 失 函 数 中 增 加 观 测 真 实 值 作 为 系 数 提 高 强 回 波 影 响 & 构 建 了 基 于 自 编 码 的 KL2UeO8b 网 络 &利 用'年 的 沧 州 历 史 雷 达 回 波 数 据 对 其 进 行 训 练 &得 到 了 可 基 于 历 史%T雷 达 数 据 预 测 未 来 %T雷 达 回 波 的 雷 达回波外推模型$测试集及个例检验结果表明&改进模型在强回波预测方面具备更好效果%
探索雷达回波外推新方法&高效*准确地生成雷达回 波预测数据&对提升海上强对流天气临近预报和服务能力 具有重要意义%深度学习算法可自动学习海量数据中蕴含 规律&且无需较多先验知识&因此在气象领域应用日益广 泛&诸多学 者 开 展 了 相 关 方 法 在 短 临 天 气 预 报 方 面 研 究% 郭尚瓒等 开 '%'( 展了多层感知器在短时 降 雨 预 测 方 面 的 探 索% OT4等 利 '%)( 用 带 卷 积 的 长 短 时 记 忆 单 元 构 建 _GG&将 其 在 雷达外推预报 方 面 应 用 取 得 了 较 好 效 果% 施 恩 提 '%,( 出 了 基 于输入的动态卷积神经网络模型&卷积核含有当前输入的 特征&网络模型测试期间还可基于 输入图像变化&输入* 输出图像的强相关性得到保证&利用南京*杭州*厦门三 地雷 达 K:99/图像数据作为样 本试 验的 结 果表 明&所提 方 法较传统雷达回波外推方法&预测图像准确率和外推时效 均有所提高%郭 瀚 阳 等 '%*( 借 助 基 于 自 编 码 的 卷 积 =_B 网 络&利用雷达拼图数据训练得到了可利用历史#>)T数据 预 测未来%T回波的雷达回波外推模型%试验结果证明其 所提 方法在 预 测 精 度 上 明 显 优 于 传 统 方 法% 黄 兴 友 等 '%(( 采 用 KDIVDM]eO8b 单元 构 建 神 经 网 络 模 型 实 现 雷 达 回 波 外 推& 并使用带权重的损失函数进行模型训练&测试集及个例检 验表明其构建的模型在强回波预报方面优于光流法%
PCA在雷达目标识别中的应用研究
PCA在雷达目标识别中的应用研究
杨进军;文树梁
【期刊名称】《航天电子对抗》
【年(卷),期】2007(023)004
【摘要】研究了宽带高分辨雷达目标识别中的特征压缩问题.首先提取目标一维距离像双谱特征,然后应用主元分析法(PCA)降低目标特征维数,最后利用支持向量机对3类实测目标数据进行识别.实验结果表明,对雷达目标识别来讲,PCA是一种可行的特征压缩方法.
【总页数】3页(P32-34)
【作者】杨进军;文树梁
【作者单位】中国航天科工集团公司二院23所,北京,100854;中国航天科工集团公司二院23所,北京,100854
【正文语种】中文
【中图分类】TN971;TN974
【相关文献】
1.对数零相位谱在雷达目标识别中的应用研究 [J], 冷家旭;黄惠明;龙方
2.PCA+CHMM在设备性能退化状态识别中的应用研究 [J], 钟飞;宁芊;周新志;赵成萍
3.PCA算法在银屑病BP神经网络建模中的应用研究 [J], 詹秀菊
4.PCA-FSA-MLR模型及在径流预测中的应用研究 [J], 郭存文;崔东文
5.PCA3在前列腺癌中的应用研究进展 [J], 夏韵
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机载相控阵雷达气象信号处理研究
机载相控阵雷达气象信号处理研究
韩云龙;张开生;孙慧敏;李杭波
【期刊名称】《火控雷达技术》
【年(卷),期】2024(53)1
【摘要】机载气象雷达作为一种重要的气象监测手段,被广泛应用到国防和民用,它能够通过间歇的接收云层中粒子的散射回波来实时远方的气象状况,保证飞机的安全飞行。
相控阵雷达作为目前功能最为强大的雷达,它不仅能通过多普勒效应检测到能检测到气象目标的位置、强度、运动方向和内部粒子活跃程度,而且其波束可以快速捷变,能够对气象目标区域进行全空域扫描,因此机载相控阵雷达在气象检测方面有着突出的优势。
本文在相控阵雷达上,采用MTI杂波对消和脉冲对算法实现了气象目标检测,并对其在实测数据上的效果进行了详细分析。
实验结果表明,本文的方法能够准确地检测到气象目标的位置和强度,并且计算量小,工程化容易,因此具有重要的研究意义和较大的应用价值。
【总页数】5页(P76-80)
【作者】韩云龙;张开生;孙慧敏;李杭波
【作者单位】西安电子工程研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TN95
【相关文献】
1.预警机载相控阵雷达信号处理研究背景
2.直升机相控阵毫米波防撞雷达信号处理技术研究
3.某型机载相控阵雷达系统可靠性预计研究
4.相控阵天气雷达气象雷达方程修正研究
5.机载相控阵雷达降维STAP信号处理机的设计
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2013雷达对抗原理期末报告题目：欧洲各国当前雷达技术院（系）信息与电气工程学院专业电子信息工程学生张云凯班级1002502学号100250232教师王军报告日期2013-11-121 课题来源1.1 论文的研究背景欧洲雷达诞生于上个世纪30年代，先后经历了二次世界大战、新军事革命、冷战军备竞赛等不同历史因素的促进与考研，雷达技术的理论、体制、方法、应用都得到了很大的发展。
总体上来说，雷达技术的发展可以分为四个阶段：第一阶段为上个世纪30年代到50年代，当时雷达典型技术特点为电子管、非相参，探测目标以飞机为主；第二个阶段为上个世纪50年代到80年代，防空作战对雷达的精确引导技术提出了更高的要求，稳定性和可靠性较高的全相参微波雷达逐渐替代了非相参技术体制的微波雷达，技术特征主要是半导体、全相参；第三阶段为上个世纪80年代到本世纪初期，为满足现代空战对雷达高精度、多目标跟踪能力、高抗干扰能力、高可靠性、高分辨率的要求，开始发展大规模集成电路、全固态。
相控阵技术，从而有效应对复杂电磁环境下低空高速目标的要求；第四个阶段开始于本世纪初期，雷达技术主要向多功能、自适应、目标识别等方面发展，以应对隐身目标、高空高速、低空低速目标的出现。
1.2 研究的目的和意义随着高新技术的迅猛发展,雷达技术有了较大的发展空间,雷达与反雷达的相对平衡状态不断被打破。
新型空袭兵器的不断问世和先进的反雷达技术的广泛应用,对雷达的生存与发展提出了严峻的挑战。
近年来,为使雷达能够满足现代作战需要,适应日趋复杂的作战环境,改善目前落后于反雷达的状况,国外主要国家仍在加紧开发高新技术,为摆脱/四大威胁0(即反辐射导弹、目标隐身技术、低空超低空突防和先进的综合性电子干扰)积极采取对策,如发展对付低空超低空目标的雷达技术、双(多)基地雷达组网反隐身技术及防空雷达装备技术等。
了解欧洲多种高性能雷达技术发展及其性能特点,窥探发展中的防空雷达体制、参数选择和附加措施等,根据不同目标的空域特性,制定防空对策及电子防御措施,不断提高雷达的适应性、有效性和战场生存能力。
2 国内外在该方向的研究现状及分析雷达(Radar)是英文“RadioDeteetionandRanging”缩写的译音,意思是无线电检测和定位。
近年米更广义的Radar的定义为:利用电磁波对目标检测/定位/跟踪/成像/识别。
雷达是战争中关键的侦察系统之一,它提供的信息是决策的主要基础。
雷达可用于战区侦察,也可用于战场侦察。
装有雷达导引头的导弹、灵巧炸弹能精确地、有效地杀伤目标。
在反洲际弹道导弹系统,反战术弹道导弹系统中,雷达是主要的探测器。
雷达技术在导航、海洋、气象、环境、农业、森林、资源勘测、走私检查等方面都起到了重要作用。
雷达技术首先在美国应用成功。
美国在1922年利用连续波干涉雷达检测到木船,1933年6月利用连续波干涉雷达首次检测到飞机。
该种雷达不能测距。
1934年美国海军开始发展脉冲雷达。
英国于1935年开始研究脉冲雷达,1937年4月成功验证了CH(ChainH。
眼)雷达站,1938年大量的CH雷达站投入运行。
英国于1939年发展飞机截击雷达。
1940年由英国设计的10cm波长的磁控管由美国生产。
磁控管的发展是实现微波雷达的最重要的贡献。
1940年n月,美国开发微波雷达,在二次世界人战末期生产出了IOcm的SCR一584炮瞄雷达,使高射炮命中率提高了十倍。
二战中,俄、法、德、意、日等国都独立发展了雷达技术。
但除美国、英国外,雷达频率都不超过600MHz。
二战中,由于雷达的很大作用,产生了对雷达的电子对抗。
研制了大量的对雷达的电子侦察与干扰设备,并成立了反雷达特种部队。
二战后,特别是五、六十年代,由于航空航天技术的飞速发展,用雷达探测飞机、导弹、卫星、以及反洲际弹道导弹的需要,对雷达提出了远距离、高精度、高分辨率及多目标测量的要求,雷达进入蓬勃发展阶段,解决了一系列关键性问题:脉冲压缩技术、单脉冲雷达技术、微波高功率管、脉冲多卜勒雷达、微波接收机低噪声放大器(低噪声行波管、量子、参量、隧首三极管放大器等)、相控阵雷达。
七十至九十年代,由于发展反弹道导弹、空间卫星探测与监视、军用对地侦察、民用环境和资源勘测等的需要,推动了雷达的发展。
出现了合成孔径雷达(SAR),高频超视距雷达(OTHR),双/多基地雷达,超宽带(UWB)雷达,逆合成孔径雷达(ISAR),干涉仪合成孔径雷达(InSAR),综合脉冲与孔径雷达等新技术新体制。
现代战争是陆、海、空、天的多维战场,信息战成为一种关键的作战样式。
信息能力是衡量作战能力的关键因素,信息能力是被摧毁的一首要目标。
雷达是一种获取信息的重要装备。
它面临电子侦察、电子千扰、隐身、反辐射导弹四大威胁。
所以增进强雷达抗侦察、抗干扰、抗隐身(包括抗低空突防)、搞反辐射导弹的能力,是现代战争下雷达技术发展的主要方向。
雷达在现代战争下担负:目标的精确、实时、全天候侦察监视;对弹道导弹、巡航导弹等大规模破坏性武器的探测与跟踪;各种隐身目标的探测与识别;战斗杀伤效果判别和目标识别等任务:。
雷达还担任导弹制导和武器火控等任务。
雷达为实现上述任务的关键技术是:相控阵雷达(PAR),超视距雷达(OHTR)、合成孔径雷达(SAR)和干涉仪合成孔径雷达(工nSAR)、毫米波雷达(MMW),双/多基地雷达;高速、实时信号/数据处理技术;雷达组网技术等。
有源相控阵雷达具有机械扫描雷达不可比拟的优越性,是雷达技术的主要发展方向。
2009年,欧美各国竞相发展和装备有源相控阵雷达。
陆基、舰载、机载有源相控阵雷达的研制取得了重大进展,欧洲雷达集团公司研制出可旋转的有源相控阵雷达天线,使该雷达具备了对飞机身后区域的探测能力。
美国诺斯罗普#格鲁公司开发出敏捷波束机载有源相控阵雷达,不仅能对多个空中目标进行探测,还能进行地面动目标探测,使作战飞机能完成多种作战任务。
随着技术的进步,尤其是GaN(氮化镓)单片微波集成电路在T/R组件中的应用,有源相控阵雷达的性能将进一步提高。
3 主要研究内容及研究方案3.1 主要研究内容欧洲各国雷达现状APAR（有源相控阵雷达）的开发计划始于1993 年，由荷兰、德国和加拿大联合研制，1994年列入荷兰、德国和西班牙“三国护卫舰合作”（TFC）计划。
西班牙退出后，APAR 计划并没有止步，目前计划进展顺利，已于2001年进行了海上试验，拟在2002-2003年进行系统的最后鉴定。
该雷达的研制工程由荷兰电信公司总负责，并承担天线和数据处理单元设计，TNO-FEL物理与电子实验室负责提供技术支持；德国的DASA公司负责研制雷达信号波形产生器和信号处理单元北方电信公司研制收发组件；加拿大的汤姆森公司负责跟踪管理单元，洛克希德加拿大公司负责天线界面、波束控制及监测部分；Com Dev 和Stork公司研制开关阵、系统冷却单元和供电单元。
2002 年4 月24日，荷兰LCF级护卫舰首舰“七省”号在鹿特丹服役，舰上就装备着APAR系统。
从“七省”号公布的数据来看，A P A R由 4 个固定天线单元、4 个雷达波形产生器、2个导弹波形产生器、4 个信号处理单元、4 个数据处理单元、2 个跟踪与管理单元、4 个电源单元、4 个冷却单元组成。
每个天线的阵面直径为1 米，其上安装3200 个 5瓦的砷化镓收发组件，每秒可产生500多个在120度范围内扫描的笔形波束。
只要有故障的收发组件数不超过5%，就不会对性能产生明显影响。
APAR 工作在 I 波段8～10GHz），覆盖方位360°、仰角 70°的范围，探测距离为 150公里，水平搜索距离为 75公里。
其功能有地平线搜索、海面和空中搜索，能同时跟踪 250个目标，同时控制32枚半主动导弹（其中16 枚处于末端制导阶段），可以控制火炮对水面目标作战，具有对战术弹道导弹的防御能力。
该系统采用新的杂波滤波技术，提高对隐身掠海目标的探测能力；采用自适应波束控制，增强抗干扰能力；采用超分辨技术，具有目标识别能力。
它可以控制的武器有“海麻雀”、“标准”II BlockIIIA、“改进型海麻雀”ESSM。
欧洲多功能相控阵雷达（EMPAR）用于意大利新一代通用护卫舰，由意大利阿莱尼亚公司与英国GEC- 马可尼公司从1986 年开始联合研制。
试验样机已于1996年7月安装在意大利海军的“龙骑兵”号试验舰上进行了海上试验，实用型EMPAR在2002年左右投入生产，目标是于2006年将其装备到第一艘意大利新一代通用护卫舰上。
法国新一代通用护卫舰也极有可能装备 EMPAR。
EMPAR是无源相控阵雷达，试验型采用旋转单面无源阵列天线，天线转速为 60 转 / 分，采用行波管相参发射机，有一个自适应阵列信号处理器和一个数字脉冲压缩器。
天线阵面尺寸为1.5 × 1.5米，垂直倾斜30°安装，天线阵面上安装 2160 个移相器，波束宽度为 2.5°，可以对天线正面方位 90°、俯仰120°的空间范围进行扫描。
实用型EMPAR将采用旋转两面无源阵列天线。
EMPAR工作在G波段(4～6兆赫兹)，发射功率为120千瓦，对雷达截面积为0.1平方米的导弹探测距离为50公里，对雷达截面积为10平方米的飞机探测距离为120公里，对低空飞行导弹的探测距离为23公里。
显示器上能显示300个目标并跟踪168个优先级较高的目标，可以制导武器与其中50个目标交战。
它控制的武器主要为“紫菀”15和“紫菀”30导弹。
俄罗斯从1957年起即着手研制反导弹的防御系统,1961年进行过几次以导弹拦截弹道导弹的试验,1964年开始部署莫斯科防区的反导弹系统,目前正在加速发展以莫斯科为中心的全国防御体系。
这个体系中的反弹道导弹雷达网(配置SAwe7“橡皮套鞋”¹等反弹道导弹)由三层雷达网组成,。
外层分布七部“鸡栏”¹(HenHouse)相控阵雷达,中层分布六部“狗窝”¹(DogHouse)相控阵雷达,内层分布十三部导弹基地雷达。
由作用距离为六千公里的七部“鸡栏”雷达完成远距离目标的初始截获,并将目标数据传输给离莫斯科较近的“狗窝”雷达。
“狗窝”雷达作用距离为二千八百公里,对目标进行识别和精密跟踪,并将有关目标信息分别传送给各个地一空导弹基地雷达。
导弹基地雷达作用距离为数百公里,完成最后的目标识别,并对拦截导弹进行发射控制。
“鸡栏”雷达工作频率约为150兆赫,脉冲重复频率可在每秒25次至每秒100次之间选择。
脉冲宽度可以改变,以调节不同距离的分辨率。
最大输出功率也可在10兆瓦上下变化。
天线结构形式与美国的AN/FPS85雷达相似,长度约为300米,高15米(为AN/FPS85雷达天线高度的一半),阵面后倾朽“。