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《低截获概率机载雷达信号处理技术》可供高等院校信号与信息处理和相关专业的研究生以及相关领域的科研和工程技术人员参考。
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| 內容簡介： |
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低截获概率机载雷达信号处理是雷达信号处理领域的一个重要分支。它是现代隐身飞机平衡设计的重要环节，是实现飞机综合隐身的必要条件。《低截获概率机载雷达信号处理技术》共分8章，介绍了低截获概率机载雷达的发展历程、目标跟踪常用算法、共形阵列天线方向图综合原理和低截获概率机载雷达仿真验证软件的设计，分析讨论了评估低截获性能的表征参量、根据先验知识的目标搜索策略、目标跟踪时的雷达自适应采样间隔和驻留时间设计、无源探测器辅助或多机协同的雷达辐射资源管理，以及复杂波形的低截获性能。
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| 目錄：
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前言
第1章引言
1.1研究背景
1.2低截获概率雷达
1.3低截获概率雷达信号处理
1.4本书的内容安排
参考文献
第2章低截获概率雷达性能评估
2.1截获因子
2.2截获概率
2.3低截获概率雷达信号
2.3.1线性调频类信号
2.3.2Costas频率编码信号
2.3.3低截获概率雷达信号性能评估
2.4本章小结
参考文献
第3章低截获概率雷达数据处理基础
3.1目标运动模型
3.1.1匀速模型
3.1.2匀加速模型
3.1.3协调转弯模型
3.1.4Singer模型
3.1.5当前统计模型
3.2卡尔曼滤波算法
3.3扩展卡尔曼滤波算法
3.4不敏卡尔曼滤波算法
3.5粒子滤波算法
3.6容积卡尔曼滤波算法
3.7积分卡尔曼滤波算法
3.8交互式多模型算法
参考文献
第4章共形阵列天线方向图综合
4.1共形阵列天线概论
4.1.1共形阵列天线技术
4.1.2共形阵列天线的方向图综合
4.2共形阵列天线方向图综合与分析
4.2.1共形阵列天线方向图综合的数学模型
4.2.2共形阵列天线参数对方向图的影响
4.3共形阵列天线的低副瓣方向图综合
4.3.1多目标优化算法
4.3.2MOPSO算法实现低副瓣方向图综合
4.3.3改进的MOPSO算法实现低副瓣方向图综合
参考文献
第5章低截获概率雷达资源优化设计
5.1有先验知识时的搜索能量控制
5.1.1算法描述
5.1.2仿真结果与分析
5.2无先验知识时的能量搜索控制
5.2.1算法描述
5.2.2仿真结果与分析
5.3目标跟踪时的采样间隔分级
5.3.1目标协方差矩阵估计
5.3.2目标跟踪时的采样间隔分级设计
5.3.3仿真结果与分析
5.4目标跟踪时的采样间隔自适应设计
5.4.1采样间隔资源管理模型
5.4.2采样间隔自适应设计
5.4.3仿真结果与分析
5.5交互式多模型容积卡尔曼滤波
5.5.1目标协方差矩阵估计
5.5.2仿真结果与分析
5.6改进的IMMPDA目标跟踪
5.6.1单目标跟踪时的驻留时间自适应设计
5.6.2仿真结果与分析
5.6.3多目标跟踪时的驻留时间采样间隔联合自适应设计
5.6.4仿真结果与分析
5.7优化设计中参数对算法的影响
5.7.1分辨系数对算法的影响
5.7.2速度惯性权重对算法的影响
5.7.3认知权重和社会学习权重对算法的影响
5.8机载雷达组网目标跟踪
5.8.1机载雷达组网系统模型
5.8.2机载雷达组网系统跟踪时的低截获优化模型
5.8.3仿真结果及分析
参考文献
第6章低截获概率雷达辐射功率控制
6.1基于目标特征的功率自适应控制
6.1.1雷达检测概率与目标距离目标RCS之间的关系
6.1.2目标跟踪时功率自适应控制
6.1.3仿真结果与分析
6.2相控阵雷达功率分级原则的设计
6.2.1功率分级原则的确定
6.2.2基于MVDR的波束形成
6.2.3线阵的功率分级
6.2.4面阵的功率分级优化设计
6.2.5改进的粒子群多目标优化
6.2.6仿真结果与分析
6.3宽带发射波束的零陷控制
6.3.1宽带发射波束的零陷设计
6.3.2仿真结果与分析
6.4基于协方差控制的机载无源系统协同跟踪
6.4.1交互式多模型协方差控制
6.4.2仿真结果与分析
6.5基于信息增量和机动特性的机载无源系统协同跟踪
6.5.1改进的IMMPF目标跟踪
6.5.2信息增量与机动特性控制
6.5.3仿真结果与分析
6.6基于编队的多传感器协同目标跟踪
6.6.1时差法多站无源目标跟踪
6.6.2基于编队的多传感器协同目标跟踪
6.6.3仿真结果与分析
参考文献
第7章雷达信号波形低截获性能分析
7.1对称三角线性调频连续波雷达工作原理分析
7.2对称三角线性调频连续波的低截获性能分析
7.2.1线性调频连续波与脉冲多普勒雷达性能比较
7.2.2对称三角线性调频连续波频谱分析
7.3基于相关接收机的噪声信号雷达原理
7.4噪声调制连续波雷达信号特性分析
7.4.1高斯噪声相位调制连续波雷达信号特性
7.4.2高斯噪声频率调制连续波雷达信号波形特性
7.5噪声调制对称三角线性调频连续波设计与性能分析
7.5.1噪声调制对称三角线性调频连续波波形设计
7.5.2两类信号的模糊函数图比较分析
7.5.3两类信号波形统计平均信噪比
7.6CostasPSK连续波雷达信号波形设计
7.6.1三种完全跳频码FSK序列
7.6.2Costas阵列的构造方法
7.6.3PSK相位编码序列构造
7.6.4CostasPSK连续波雷达信号波形设计
7.6.5CostasPSK连续波雷达信号波形模糊函数
7.7CostasPSK连续波雷达信号特性分析
参考文献
第8章低截获概率雷达软件仿真系统
8.1概述
8.1.1机载雷达低截获概率软件系统组成
8.1.2系统仿真流程
8.2机载雷达子系统
8.2.1子系统的模块化划分
8.2.2输入输出接口设计
8.3子系统的详细设计
8.3.1回波模拟模块
8.3.2天线方向图模块
8.3.3信号处理模块
8.3.4数据处理模块
8.3.5子系统软件仿真流程
参考文献
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| 內容試閱：
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第1章引言
1.1研究背景第一代隐身飞机是美国洛克希德 马丁公司设计生产的F-117。美国于1989年入侵巴拿马时，F-117第一次投入实战。F-117具有优良的雷达隐身性能，但不具备可见光隐身，未装配机载雷达。2006年之后，F-117逐渐被B-2、F-22、F-35等更先进的隐身飞机取代。F-22隐身战斗机上配备了ANAPG-77双模式机载火控雷达。该雷达工作在X波段8～12.5GHz，采用主动电子扫描阵列ActiveElectronicallyScannedArray，AESA天线系统、低截获概率雷达发射波形和先进的发射功率控制策略。F-35战斗机配备的ANAPG-81双模式机载火控雷达亦采用了主动电子扫描阵列天线系统和更先进的低截获概率策略。
近年来，无源探测定位系统对战斗机已构成了严重威胁。无源探测系统（无源态势感知、电子情报系统ELINT、信号情报系统SIGINT、电子支援措施ESM、反辐射导弹ARM等）对战斗机的探测能力已大大提高，机载无源探测系统最大探测距离已远大于机载雷达的作用距离。无源探测系统具有作用距离远、不发射电磁波、隐蔽性好的特点，对战斗机的生存能力构成了严重威胁。
当前飞机面临的主要威胁是敌方的雷达探测、无源探测和红外探测。对于雷达截面积（RadarCrossSection，RCS）为1m2的目标，机载相控阵火控雷达的作用距离约为200km；机载电子支援措施（ElectronicSupportMeasure，ESM）对三代机雷达的无源探测作用距离约为460km。但是具有雷达隐身和红外隐身的飞机可以将对方的雷达探测和红外探测距离缩减到70km左右。机载雷达能够通过缩减其射频辐射特征（称为射频隐身技术或低截获概率技术REF_Ref398028590\r\h）降低无源探测系统的作用距离。随着现代雷达技术的发展，具备低截获概率性能的雷达已逐渐成为雷达的标准特征。例如，Telephonics为MH-60R直升机开发的APS-147多模雷达要求具备低截获概率性能；新一代海上巡逻机要求雷达具备低截获探测潜望镜的能力。因此，机载雷达射频隐身技术研究具有重要的应用价值。
1.2低截获概率雷达
低截获概率（LowProbabilityofIntercept，LPI）雷达的公开理论研究开始于20世纪80年代。Schleher给出了LPI雷达的定义，并提出了评估LPI雷达性能的参数（亦称为截获因子）；Schrick等针对Schleher提出的截获因子，指出未来截获接收机要截获LPI雷达信号应具备的性能；Pace综合了LPI雷达矛盾双方的研究成果，在其著作的第一部分介绍了LPI雷达设计的基础，在第二部分介绍了截获LPI雷达信号的策略和算法，并认为LPI雷达信号总可以通过更先进的截获策略和信号处理算法被检测到。Pace的观点很快得到了一些研究者的支持，开始质疑是否存在LPI雷达。Schleher随即针对这些质疑，再次强调LPI雷达是包含雷达和截获接收机的系统，雷达是否具有低截获特性与截获接收机的类型密切相关。因此，通常意义上的LPI雷达，已经隐含了它对抗的是同时代某种特定类型的截获接收机。
低截获概率雷达的首次应用是在美国国防预先研究计划局、美国空军和洛克希德 马丁公司的“HaveBlue”飞机上REF_Ref378180986\r\h\*MERGEFORMAT。LPI雷达首次验证的对象分别为雷达告警接收机RadarWarningReceiver，RWR、电子情报ElectronicIntelligence，ELINT和反辐射导弹Anti-RadiationMissile。试验证实LPI雷达技术能够采纳，并仍能保证机载雷达武器系统的完备性。美国的“PaveMover”LPI雷达试验项目验证了LPI雷达不仅能探测、跟踪空空和空地目标，还能进行对抗干扰。Lynch认为那些对LPI雷达仍持怀疑态度的人要么是不了解截获接收机，要么是忽略了战术策略在LPI雷达应用中的关键作用。美国目前在役的B-2装配的ANAPQ-181和F-22装配的ANAPG-77雷达都具备LPI性能。国内许多研究所和高校都已开展了对LPI雷达技术的研究。
1.3低截获概率雷达信号处理
低截获概率雷达信号处理的研究内容主要有LPI性能评估、波形设计、天线方向图设计和辐射功率管理等。然而，随着新技术的不断发展与应用，过去具有LPI性能的雷达在新一代的截获接收机面前可能不再是LPI雷达。为了对抗新一代截获接收机的威胁，许多新理论和新技术都被应用于改善雷达的LPI性能。MIMOMulti-InputMulti-Output雷达、组网雷达、多传感器信息融合等技术已被应用于LPI雷达的研究，它们研究的核心内容仍然是LPI性能评估、波形设计、天线方向图设计和辐射功率管理
最早公开发表的低截获性能评估指标是Schleher提出的截获因子。截获因子定义为截获接收机的截获距离与雷达检测到目标的最大作用距离之比，它表征了某雷达相对于确定截获接收机的LPI性能。Stove等分析了实现雷达LPI性能的各种策略，同时还提出利用香农信道容量实现辐射信号的低利用概率LowProbabilityofExploitation，LPE，信号LPE性能的更多研究主要集中在通信信号中。Wu假定在雷达二维辐射方向图上均匀分布了性能相同的截获接收机，然后将雷达二维辐射方向图覆盖的面积用等效圆的面积代替，并将等效圆的半径定义为截获圆半径作为评估LPI性能的指标，截获圆半径表征的是雷达工作时在统计意义上的LPI性能。Dishman等将Wu定义的评估指标拓展到三维，提出了截获球半径。截获概率的定义是截获接收机的探测概率与雷达发射机工作时间的乘积再除以截获接收机的扫描时间，如果LPI雷达对抗的是时域、频域和空域全宽开的截获接收机，对应的截获概率就是截获接收机的探测概率。截获因子、截获圆球半径和截获概率评估的是雷达的抗检测性能。但是，雷达在执行任务过程中总有可能被探测到，所以LPI雷达的设计必须进一步实现对抗截获接收机的分选和定位功能。截获接收机的分选定位性能取决于它对雷达信号的测量精度。Lynch给出了截获接收机估计雷达信号参数能达到的均方根误差下限。随着新理论和新技术的应用，人们不断修正上述LPI性能评估指标，以适应新形势下对LPI性能的评估。
电子科技大学的廖雯雯等对MIMO雷达的低截获性能进行了研究，推导了MIMO雷达的截获因子。黄美秀等在低截获概率雷达性能因子的基础上提出了低利用概率雷达性能因子，并在此基础上，定义了雷达信号截获利用因子，用来衡量信号被截获接收机利用的概率。电子科技集团第10所的朱银川等人基于信息论中熵的形式，对信号波形特征的不确定性进行了分析，提出用熵来表征信号的波形特征不确定性。空军工程大学的李寰宇等提出了基于截获距离的低截获表征指标，称为隐身效率。军械工程学院的熊久良等基于现有的跟踪性能的度量指标——滤波误差协方差和截获概率，提出了截获概率密度的概念。南京航空航天大学的杨红兵等提出用信号截获率联合表征射频信号的时频空域隐身性能。Wang等和Shi等从信息论的角度为借鉴通信中的安全容量提出的安全互信息量，为低截获技术研究提供了新的思路。Shi等还研究了组网雷达的低截获问题，并将Schleher截获因子推广到组网雷达，以表征组网雷达系统的低截获性能。哈尔滨工业大学的赵宜楠等定义了双基地雷达、分布式MIMO雷达的低截获性能表征指标。西北电子设备研究所、西安电子科技大学等单位和部门也都在低截获概率雷达的研究过程中提出或完善了低截获性能评估指标。
低截获概率雷达辐射功率管理是在满足任务性能前提下最小化有效辐射的峰值功率。Schleher提到的Pilot雷达就是典型的例子，它通过连续信号的长时间积累提高信噪比，降低峰值功率。然而，脉冲雷达峰值功率不可避免地会大于高增益搜索式截获接收机的灵敏度。因此，LPI雷达还需要最小化驻留时间，避开高灵敏度的搜索式截获接收机。
Lynch认为低截获概率雷达波形设计的“唯一准则”是将信号合理地均匀分布在整个工作频段上。它的含义是指信号的瞬时带宽和平均带宽都应该尽可能大、尽可能均衡。Lynch给出的经验值是信号在工作频段上保持低于3dB的起伏。除连续波外，常见的脉间调制LPI雷达波形主要有跳频信号、脉压信号、编码信号相移键控、频移键控以及脉压和编码混合信号。
低截获概率雷达的天线方向图设计要求的是窄主瓣、超低副瓣和深的零陷。Lynch给出的性能指标是主副瓣比大于55dB，且大于主瓣方位向两侧约45°的远区旁瓣的被截获距离必须小于截获方地基反制武器的有效反应时间。这时，绝大多数RWR和部分ESM不能通过旁瓣探测到雷达。
低截获性能评估指标、功率管理、波形设计和天线方向图设计在LPI雷达研究中相互关联，例如，最小化辐射峰值功率与选用的波形有关。当在一段工作时间内，雷达辐射信号覆盖区域内有多部截获接收机时，虽然每部截获接收机单位时间内的截获概率很低，但它们在这一段时间内的累积截获概率可能会对雷达造成威胁。因此，LPI雷达信号处理不仅是在雷达工作时刻，而且在一段工作时间内。这时就需要LPI雷达最大限度地利用经验知识和无源系统，最小化工作时间，最大化工作时间间隔。
1.4本书的内容安排
本书在后续章节中不会专门探讨战术和各种截获接收机性能，但是希望读者对LPI雷达概念充分认识，并了解LPI雷达信号处理技术的有效性依赖于战术策略和特定的截获接收机。正如Lynch提到的，只要对方不能够对己方雷达平台形成实质性的威胁，低截获概率雷达技术就是有效的。低截获概率雷达的研究贯穿于目标探测、跟踪、分选和摧毁的全过程中。Pace已经对低截获概率雷达波形设计进行了深入研究和总结；Lynch归纳和总结了基于策略的低截获概率雷达应用。本书后续内容安排如下。
第2章首先介绍LPI雷达的性能评估准则。分析LPI雷达中经典的性能评估准则：截获因子和截获概率，并给出它们的适用条件；同时比较线性调频类波形对信道化截获接收机检测性能的影响，以及长基线截获接收机对信号载频和方位的估计效果。最后，针对一部机载截获接收机检测定位一部机载雷达的情形，给出截获接收机检测定位等不同状态下需要的信噪比和信号持续时间。
第3章介绍常见的雷达目标运动模型、目标状态预测方程、目标状态量测方程和各种主流的预测滤波算法。许多参考书给出了这些算法详细的数学理论，本章不再赘述。本书主要在第5章用这些算法研究雷达目标跟踪的时间资源优化问题。本章最后提供这些主流预测滤波算法的MATLAB代码，以供参考。
第4章介绍共形阵列和共形阵列天线方向图综合的基础知识。本书主要在第6章用天线方向图综合的基本原理研究线型阵列和面型阵列的雷达辐射能量控制方法。线型阵列和面型阵列可以看作共形阵列的特例。随着智能蒙皮技术的发展，共形天线与分布式共形天线对LPI雷达的贡献将受到越来越多的重视。
第5章是雷达目标搜索和目标跟踪的资源优化设计方法。首先，分析有先验知识时基于威胁区域等级划分波位数的雷达搜索策略，以及无先验知识时基于先高虚警再低虚警的两步搜索算法。然后，应用交互式多模型和第3章介绍的预测滤波算法讨论雷达自适应采样和自适应驻留等问题。最后，从编队组网的角度分析协同跟踪对提高雷达LPI性能的贡献。
第6章结合雷达特性和无源辅助的条件，首先分析雷达功率连续可调时基于目标RCS和目标距离的雷达辐射功率计算方法；然后根据相控阵雷达幅值不可调的特性，应用第4章的基本原理设计多级雷达功率和雷达辐射波束的零陷控制方法；最后分析机载无源系统和编队无源系统辅助跟踪对提高雷达LPI性能的贡献。
第7章从理论上分析对称调频连续波信号、高斯噪声相位调制连续波信号、高斯噪声频率调制连续波信号、噪声调制对称调频连续波信号和CostasPSK连续波信号的LPI性能。
第8章是LPI雷达仿真验证系统的架构和主要功能，可用于辅助验证雷达的LPI性能。
参考文献
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