基于MIMO阵列的一体化射频技术研究进展及展望.pdf
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1、第3卷第1期2 0 2 4年1月信 息 对 抗 技 术I n f o r m a t i o n C o u n t e r m e a s u r e T e c h n o l o g yV o l.3 N o.1J a n.2 0 2 4引用格式:唐波,吴文俊.基于M I MO阵列的一体化射频技术研究进展及展望J.信息对抗技术,2 0 2 4,3(1):3-1 7.T AN G B o,WU W e n j u n.M I MO m u l t i f u n c t i o n r a d i o f r e q u e n c y s y s t e m s:r e s e a r
2、c h p r o g r e s s a n d p e r s p e c t i v eJ.I n f o r m a t i o n C o u n t e r m e a s u r e T e c h n o l o g y,2 0 2 4,3(1):3-1 7.(i n C h i n e s e)基于M I MO阵列的一体化射频技术研究进展及展望唐 波*,吴文俊(国防科技大学电子对抗学院,安徽合肥 2 3 0 0 3 7)摘 要 基于多输入多输出(m u l t i p l e-i n p u t-m u l t i p l e-o u t p u t,M I MO)阵列的一体
3、化射频系统通过充分利用空间自由度和波形自由度,不仅能够同时实现雷达探测、数据通信、电子干扰等多种功能,而且具有目标探测可靠性好、参数估计精确度高、反侦察识别能力强等突出特点,在高动态强对抗环境中展现了巨大的潜力。从基于M I MO阵列的一体化射频系统的检测性能分析入手,剖析了一体化射频系统的检测性能极限以及影响检测性能的主要因素;针对M I MO阵列参数高精度估计问题,提出通过单个发射脉冲完成参数估计以及一种增强参数估计精度的波形优化算法;考虑到目标角度估计误差不可避免,提出了一种稳健的一体化波形设计算法;针对杂波环境中一体化射频系统性能下降的问题,提出了发射波形和接收滤波器联合优化算法,该算
4、法不仅能够实现同时多功能,而且有效地抑制了杂波,提高了目标检测性能。最后,展望了一体化射频系统参数估计精度极限、高精度参数估计、稳健波形设计、波形设计算法快速实现等有待突破的信号处理关键技术。关键词 一体化射频系统;多输入多输出阵列;目标探测;角度估计;稳健波形设计;杂波环境中图分类号 TN 9 5 9.1 文章编号 2 0 9 7-1 6 3 X(2 0 2 4)0 1-0 0 0 3-1 5文献标志码 A D O I 1 0.1 2 3 9 9/j.i s s n.2 0 9 7-1 6 3 x.2 0 2 4.0 1.0 0 2M I MO m u l t i f u n c t i o
5、 n r a d i o f r equ e n cy sys t e m s:r e s e a r c h pr ogr e s s a n d pe r spe c t i v eT AN G B o*,WU W e n j u n(C o l l e g e o f E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g,N a t i o n a l U n i v e r s i t y o f D e f e n s e T e c h n o l o g y,H e f e i 2 3 0 0 3 7,C h i n a)A b s t r a c
6、t B y e x p l o i t i n g t h e s p a t i a l a n d w a v e f o r m d i v e r s i t y,m u l t i f u n c t i o n r a d i o f r e q u e n c y(MF R F)s y s t e m s b a s e d o n a m u l t i p l e-i n p u t-m u l t i p l e-o u t p u t(M I MO)a r r a y c a n s i m u l t a n e-o u s l y s u p p o r t m u
7、l t i p l e f u n c t i o n s,i n c l u d i n g r a d a r d e t e c t i o n,d a t a c o mm u n i c a t i o n s,a n d e l e c-t r o n i c a t t a c k.M o r e o v e r,M I MO MF R F s y s t e m s c a n a c h i e v e e n h a n c e d t a r g e t d e t e c t i o n p e r-f o r m a n c e,i m p r o v e d a n
8、 g l e e s t i m a t i o n a c c u r a c y,a n d l o w e r p r o b a b i l i t i e s o f b e i n g i n t e r c e p t e d a n d i d e n t i f i e d.T h e r e f o r e,M I MO MF R F s y s t e m s h a v e s h o w n g r e a t p o t e n t i a l s i n c o m p l e x e n-v i r o n m e n t s.I n t h i s p a p
9、 e r,t h e d e t e c t i o n p e r f o r m a n c e o f M I MO MF R F s y s t e m s i s i n v e s t i g a-t e d.T h e f u n d a m e n t a l l i m i t s o f t h e d e t e c t i o n p r o b a b i l i t y o f a M I MO MF R F s y s t e m a r e p r e s-e n t e d,a n d t h e f a c t o r s i n f l u e n c i
10、 n g t h e d e t e c t i o n p e r f o r m a n c e a r e a n a l y z e d.T h e n,a n a n g l e e s-收稿日期:2 0 2 3-0 6-1 4 修回日期:2 0 2 3-0 9-2 0通信作者:唐波,E-m a i l:t a n g b o 0 6g m a i l.c o m基金项目:国家自然科学基金资助项目(6 2 1 7 1 4 5 0,6 1 6 7 1 4 5 3);安徽省自然科学基金资助项目(2 1 0 8 0 8 5 J 3 0);国防科技大学自主创新基金资助项目(2 3-Z Z C
11、 X-J D Z-4 2)信 息 对 抗 技 术2 0 2 4年t i m a t i o n m e t h o d b a s e d o n a s i n g l e p u l s e i s p r o p o s e d,a n d a n a l g o r i t h m f o r r e s o l u t i o n e n h a n c e-m e n t v i a d e s i g n i n g t h e w a v e f o r m s i s d e v e l o p e d.A f t e r w a r d s,b y c o n s i d
12、e r i n g t h a t t h e t a r g e t a n g l e e s t i m a t i o n e r r o r i s i n e v i t a b l e,a r o b u s t w a v e f o r m d e s i g n m e t h o d f o r M I MO MF R F s y s-t e m s i s p r o p o s e d.M o r e o v e r,a n a l g o r i t h m f o r j o i n t l y d e s i g n i n g t h e t r a n s
13、m i t w a v e f o r m s a n d t h e r e c e i v e f i l t e r s i s d e v e l o p e d f o r M I MO MF R F s y s t e m s o p e r a t i n g i n t h e c l u t t e r.T h e p r o-p o s e d j o i n t d e s i g n m e t h o d n o t o n l y s u p p o r t s m u l t i p l e f u n c t i o n s s i m u l t a n e
14、o u s l y,b u t a l s o s u p-p r e s s e s t h e c l u t t e r a n d e n h a n c e s t h e t a r g e t d e t e c t i o n p e r f o r m a n c e.F i n a l l y,s e v e r a l i m p o r t a n t r e s e a r c h t o p i c s o f M I MO MF R F s y s t e m s,i n c l u d i n g t h e f u n d a m e n t a l l i
15、m i t s o f t a r g e t a n g l e e s-t i m a t i o n a c c u r a c y,h i g h-r e s o l u t i o n p a r a m e t e r e s t i m a t i o n,r o b u s t w a v e f o r m d e s i g n,f a s t i m-p l e m e n t a t i o n o f w a v e f o r m d e s i g n a l g o r i t h m s,a r e d i s c u s s e d.K e y w o r
16、d s MF R F s y s t e m s;M I MO a r r a y;t a r g e t d e t e c t i o n;a n g l e e s t i m a t i o n;r o b u s t w a v e-f o r m d e s i g n;c l u t t e r e n v i r o n m e n t0 引言一体化射频(m u l t i-f u n c t i o n r a d i o f r e q u e n c y,MF R F)系统,也被称为综合射频系统或多功能射频系统。通过共用天线孔径、射频前端、信号和数据处理资源,可以同时实现
17、雷达探测、数据通信和电子对抗等多种功能1。相比于传统的单一功能射频系统(例如,雷达和通信系统),一体化射频系统大幅缩减了所需天线数量,显著降低了系统重量、体积和功耗,提高了系统所在平台的机动作战能力和隐身性能,具有重要的军事应用前景。根据实现方式,可将一体化射频系统划分为3类:一是时分复用体制,该类系统通过划分时隙,利用不同的时隙来实现多种功能,但是存在无法同时实现多功能、任务调度比较复杂等问题2。二是空分复用体制,该类系统对发射阵面进行切割,每个阵面实现一种功能3。然而,阵面切割会导致天线增益和空间分辨率下降。此外,由于不同子阵发射的信号工作频段不同,因此系统对天线工作带宽要求较高,且需消耗
18、较多频谱资源,容易造成设备互扰。三是波形复用体制,该类系统利用或改造现有的波形以实现多种功能4-6,但是大多数情况下只能实现2种功能,例如雷达通信一体化和雷达干扰一体化等。为克服现有一体化射频系统的不足,学者们提出了基于M I MO阵列的一体化射频系统7。基于M I MO阵列的一体化射频系统利用阵列空间分集和波形分集特性,通过多波形优化,可以同时实现目标探测、数据通信和电子对抗等多种功能。此外,基于M I MO阵列的一体化射频系统不仅兼容其他技术体制,还可以通过优化设计系统参数,同时实现更多的功能,如更加充分地利用天线孔径达到更高的空间分辨能力,更高效地利用频谱资源,以及具备更强的反侦察识别以
19、及抗摧毁能力。本文从基于M I MO阵列的一体化射频系统检测性能极限入手,阐述了一体化射频系统数据通信和电子干扰等功能与目标检测性能之间的制约和影响关系。接下来针对基于M I MO阵列的一体化射频系统参数估计、稳健波形设计、发射接收联合优化等关键技术,介绍了最新研究进展,最后对全文进行总结和展望。1 一体化射频系统检测性能极限图1为基于M I MO阵列的一体化射频系统示意图。设M I MO阵列发射天线数为NT,接收天线数为NR,第n个天线发射的基带离散时间波形为sn(n=1,2,NT,码长为L)。图1在远场窄带假设下,基于MMO阵列的一体化射频系统接收到的目标回波信号8可以表示为:y=tH(t
20、)s+n(1)式中,t为目标幅度,H(t)=ILaR(t)aTT(t),s=v e c(S),S=s1,s2,sNTT为发射波形矩阵,aR()为接收导引矢量,aT()为发射导引矢量,n表 示 系 统 内 部 噪 声 和 外 部 干 扰,IL表 示LL单位阵。为检测目标,建立二元假设检验模型如下:H0:y=nH1:y=atH(t)s+n(2)假设n服从均值为0、协方差矩阵为R的复4第1期唐 波,等:基于M I MO阵列的一体化射频技术研究进展及展望 高斯分布,根据N e y m a n-P e a r s o n准则,当式(3)成立时,则判定目标存在:R e(tyHH(t)s)Th(3)式中,T
21、h为检测门限。图1 基于M I MO阵列的一体化射频系统示意图F i g.1 I l l u s t r a t i o n o f a M I MO M F R F s y s t e m 基于该检测器,目标检测概率9为:PD=12e r f ce r f c-1(2PF A)-)(4)式中,e r f c(x)=2-12xe-t2dt为互补误差函数,PF A为虚警概率,信干噪比(s i g n a l t o i n t e r f e r e n c e p l u s n o i s e r a t i o,S I N R)的表达式为:=|t|2sHHH(t)R-1H(t)ssHM s
22、(5)式中,M=HH(t)R-1H(t)。不难看出,当虚警概率一定时,检测概率是S I N R的单调递增函数,因此,要研究一体化射频系统的检测性能,仅需研究系统的输出S I N R。另外,对于常见的集中式M I MO阵列,噪声在快时间域的采样相互独立,矩阵M的表达式具有如下特殊结构:M=ILaHR(t)R-1aR(t)aT(t)aHT(t)(6)式中,R为阵列接收噪声的瞬时采样协方差矩阵。根据式(6),又可以将S I N R表示为:=aHT(t)S SHaT(t)|t|2aHR(t)R-1aR(t)=TR(7)式中,R=|t|2aHR(t)R-1aR(t)为接收S I N R,T=aHT(t)
23、S SHaT(t)为发射S I N R(又被称为M I MO阵列在t方向上的发射方向图1 0-1 3)。也就是说,对于集中式M I MO阵列,系统输出S I N R是发射S I N R和接收S I N R的乘积。另外,当阵列结构确定后,接收S I N R为定值。故而,要提高一体化射频系统的检测性能,关键在于如何增加发射S I N R。因此,要研究一体化射频系统的检测性能极限,并阐明数据通信、电子干扰等功能对目标检测性能的影响,仅需考虑如下优化问题:m a xSaHT(t)S SHaT(t)s.t.A()S=D,sHs=eT(8)式中,D=DTc,DTjT=d1,d2,dN0T,eT为总的发射能
24、量,A()=A(c),A(j)=aT(1),aT(2),aT(N0)。其中,A(c)为通信方向所构成的发射导引矩阵,A(j)为干扰方向所构成的发射导引矩阵,Dc为期望通信信号,Dj为期望干扰信号,di表示第i个期望信号,即期望通信信号Dc与期望干扰信号Dj构成的信号矩阵DT的第i列向量,N0为通信方向与干扰方向数量之和。式(8)的最优解9为:So p t=I+0B BHaT(t)aHT(t)S(9)式中,0=eT/(u2q2),u=BHaT(t),q=SHaT(t),B为矩阵A()的零空间张成的酉矩阵(即AH()B=0,BHB=I),S=A()AH()A()-1D(1 0)其中,eT=eT-s
25、Hs,s=v e c(S)。将So p t代入式(8)的目标函数中,并假设通信方向与干扰方向之间的角度间隔较大,则一体化射频系统可达的最大S I N R可以近似为:TN0k=1ekG2k+etNT(1-Gs o s)2(1 1)式中,ek=dk22为通信/干扰波形能量,Gk=G(t,k)=|aHT(k)aT(t)/NT|为M I MO阵列指向t时在方向k形成的归一化增益,Gs o s=5 信 息 对 抗 技 术2 0 2 4年N0k=1G2k,etNT=etNT-N0k=1ek。下面考虑几种典型场景。在场景中,考虑到通信信号和干扰信号传播只经历单程衰减,所需功率相对较少,因此可以假设通过旁瓣进
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