基于相位编码的正交波形研究

分类号 UDC 注 1
密级
学
位
论
文
基于相位编码的正交波形研究
（题名和副题名）
蒋易松
（作者姓名）
指导教师
汪学刚 电子科技大学
教 成
授 都
（姓名、职称、单位名称） 申请学位级别 提交论文日期
硕 士 2015.03.30
学科专业 论文答辩日期
Leabharlann Baidu
信号与信息处理 2015.05.07 2015 年 6 月 29 日
论文使用授权
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作者签名：
导师签名： 日期： 年 月 日
摘 要
摘 要
MIMO（multiple-input-multiple-output）雷达作为近年来雷达体制的重要创新 和雷达领域关注的热点，相对于传统的相控阵雷达具有更多的特点和优势，尤其 体现在大时宽，抗干扰能力强，抗截获性强等方面。MIMO 雷达的这些特点让它 成为了研究的热点 MIMO 雷达从体制上可以分为集中式与分布式 MIMO 雷达， 波形设计是集中 MIMO 雷达的发射 式 MIMO 雷达研究的重要课题。 与传统雷达的发射波形不同， 波形是相互正交的信号。在波形设计时，为了区分在同一方向上的多个目标，需 要保证发射波形之间良好的自相关性，同时，为了减少不同目标回波的干扰，需 要保证发射波形之间的互相关性。本文主要研究了多相编码形式的发射波形。 本文针对集中式 MIMO 雷达的正交波形设计提出了以下创新点： （1）在使用遗传算法生成正交多相码时，针对具体问题，对不同的遗传算法 编码方式与算子操作方式进行比较。结果表明，遗传算法采用不同的编码方式和 遗传算子对生成多相码的性能影响极大。最终选择了适用于生成正交多相码的最 优化遗传算法。 （2） 提出了一种使用免疫遗传混合算法生成 MIMO 雷达正交多相码的方法。 在遗传算法扎实的理论基础和良好的全局搜索能力的基础上，引入了免疫算法的 记忆系统与种群更新功能，这样很好地弥补了遗传算法的局部搜索能力差以及收 敛速度慢的缺点，而这两点正是本文的优化问题所需要的。同时，还对所生成的 序列就多相码参数与多普勒性能进行了分析。通过与相关文献的对比，表明混合 算法能够设计出自相关和互相关性能较好的多相码。 综上，论文从理论出发，主要侧重于智能搜索优化算法的设计与选择，对 MIMO 雷达的正交波形设计过程进行了系统的介绍和一定程度上的优化。本文提 出的免疫遗传混合优化算法具有一定的优越性， 通过仿真结果也验证了相应结论。 关键字：MIMO 雷达，正交多相码，遗传算法，免疫算法
II
ABSTRACT
introduce of the code-designing process, this thesis develops the performance of the algorithm, and the mixed algorithm proposed in this thesis is proved by simulations and comparison to be outstanding somehow. Keywords: MIMO radar, orthogonal poly-phase codes, GA, Immune Algorithm
III
目 录
目 录
第一章 绪论 .....................................................................................................................1 1.1 研究背景和意义 .............................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 .............................................................................................. 3 1.3 本文研究内容与章节安排 .............................................................................. 4 第二章 MIMO 雷达正交波形设计 .................................................................................6 2.1 MIMO 雷达 ...................................................................................................... 6 2.1.1 MIMO 雷达原理 .....................................................................................6 2.1.2 MIMO 雷达特点 .....................................................................................7 2.2 MIMO 雷达正交波形 ...................................................................................... 9 2.2.1 MIMO 雷达正交波形设计性能要求 .....................................................9 2.2.2 MIMO 雷达正交波形分类 ................................................................... 11 2.3 基于相位编码的正交波形设计建模 ............................................................ 18 2.4 本章小结 ........................................................................................................ 21 第三章 遗传算法仿真与性能分析 ...............................................................................22 3.1 智能优化算法概述 ........................................................................................ 22 3.1.1 遗传算法 ................................................................................................22 3.1.2 粒子群算法 ............................................................................................23 3.1.3 蚁群算法 ................................................................................................24 3.2 遗传算法性能与仿真分析 ............................................................................ 24 3.2.1 遗传算法原理 ........................................................................................25 3.2.2 遗传算法的流程 ....................................................................................26 3.2.3 遗传算法性能仿真与分析 ....................................................................28 3.3 遗传算子设计与仿真分析 ............................................................................ 31 3.3.1 编码设计与仿真分析 ............................................................................31 3.3.2 选择算子的性能仿真分析 ....................................................................34 3.3.3 交叉算子性能仿真分析 ........................................................................37 3.3.4 变异算子性能仿真分析 ........................................................................41 3.4 遗传算法生成的最优序列性能分析 ............................................................ 44 3.5 本章总结 ........................................................................................................ 46 第四章 基于免疫遗传混合算法的 MIMO 雷达正交多相码设计 ..............................46
I
ABSTRACT
ABSTRACT
MIMO (multiple-input-multiple-output) radar has become really popular in radar areas because of its creative system and outstanding performances. Comparing to traditional phased-array radar, MIMO radar has great advantages and more characteristics. MIMO radar has bigger time-band, better ability of anti-interference and better ability of anti-interception. These characteristics guarantee the research of MIMO radar meaningful. The waveform design of MIMO radar is a major research topic of the centralized MIMO radar. Different from the traditional radar waveforms, MIMO radar waveforms are consists of several orthogonal coherent waveforms. In order to distinguish different targets at the same angle, the auto-correlation properties must be guaranteed. At the same time, in order to decrease interferences of different echo waves, the cross-correlation properties must be guaranteed as well. This thesis proposed two innovations aiming at designing the MIMO radar waveforms with good auto-correlation and cross-correlation properties. (1)While using GA(genetic algorithm) to generate orthogonal poly-phase codes, different encoding methods and operators are tried and compared. It indicates that different operators and encoding methods of GA have big influence on the properties of codes that generated eventually. Aiming at the specific problems of this thesis, best operator and encoding method are chosen afterwards. (2)The hybrid algorithm of GA and Immune Algorithm is used to generate MIMO radar waveforms. GA is based on decent theory system, and has great ability of global search, while the memory system and population regeneration function of Immune Algorithm can fix the flaws of bad local search ability and slow computing speed existed in GA, and these problems are essential in generating orthogonal polyp-phase codes. At the same time, the properties of parameters and Doppler performances of codes generated are also analyzed afterwards. After comparing to other relative papers, it indicates that the hybrid algorithm can generate poly-phase codes with decent properties of auto-correlation and cross-correlation. Above all, this thesis emphasize on choosing and designing proper algorithm to design orthogonal poly-phase codes mainly used for MIMO radars. By specific
Major: Author: Advisor: School :
Signal and Information Processing
Jiang Yisong
Prof. Wang Xuegang School of Electronic Engineering
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 作者签名： 日期： 年 月 日
学位授予单位和日期 答辩委员会主席 评阅人
电子科技大学 王建国
注 1：注明《国际十进分类法 UDC》的类号。
STUDY OF ORTHOGONAL WAVE FORM BASED ON PHASE-CODING METHOD
A Master Thesis Submitted to University of Electronic Science and Technology of China
电 子 科 技 大 学
UNIVERSITY OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA
硕士学位论文
MASTER THESIS
论文题目
基于相位编码的正交波形研究
学科专业 学 号
信号与信息处理 201221020309 蒋易松 汪学刚 教授
作者姓名 指导教师