IRS辅助的无源双基地雷达联合波束赋形与反射优化.pdf

第2 4卷 第4期空 军 工 程 大 学 学 报V o l.2 4 N o.42 0 2 3年8月J OURNA L O F A I R F O R C E E NG I N E E R I NG UN I V E R S I T YA u g.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 3-0 3-0 7基金项目:国家自然科学基金(6 2 2 7 1 5 0 0,6 1 8 7 1 3 9 6)作者简介:邹 鲲(1 9 7 6-),男,湖北黄冈人,副教授,博士,研究方向为雷达信号检测,雷达性能优化、统计信号处理等。E-m a i l:w y y x z k1 2 6.c o m通信作者:来 磊(1 9 8 3-),男,陕西西安人,讲师,博士,研究方向为飞行器导航技术,雷达探测技术。E-m a i l:l a i l e i 0 7 3 11 2 6.c o m引用格式:邹鲲,杨宾锋,王路瑶,等.I R S辅助的无源双基地雷达联合波束赋形与反射优化J.空军工程大学学报,2 0 2 3,2 4(4):4 2-4 8.Z OU K u n,YAN G B i n f e n g,WANG L u y a o,e t a l.J o i n t B e a m f o r m i n g a n d R e f l e c t O p t i m i z a t i o n f o r I R S-A s s i s t e d P B RJ.J o u r n a l o f A i r F o r c e E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y,2 0 2 3,2 4(4):4 2-4 8.I R S辅助的无源双基地雷达联合波束赋形与反射优化邹 鲲1,杨宾锋1,王路瑶2,来 磊1,*,李 伟1,蔡 斌1(1.空军工程大学信息与导航学院,西安,7 1 0 0 7 7;2.中核战略规划研究总院有限公司系统工程研究所,北京,1 0 0 4 8)摘要 直接路径干扰由于路径损耗较小,其干扰强度远大于目标的反射回波,直接影响了无源双基地雷达的目标的探测性能。智能反射表面具有调控电磁波传播的能力,为此在雷达接收机附近放置智能反射表面,通过联合优化监视通道接收机波束赋形和无源智能反射表面的反射相位,可以将进入接收机的直接路径干扰功率约束在一定范围内,并且实现目标反射回波功率最大化,从而提高目标的检测性能。利用交替优化的方法,将联合优化问题转换为2个齐次和非齐次的二次约束二次规划问题,采用半定松弛方法和高斯随机化方法求解获得接收机波束赋形和智能反射表面的反射相位的最优解。仿真分析表明:利用了智能反射表面可以有效提高无源双站雷达在直接路径干扰下的探测性能。关键词 无源双站雷达;直接路径干扰;智能反射表面;半定松弛;检测性能D O I 1 0.3 9 6 9/j.i s s n.2 0 9 7-1 9 1 5.2 0 2 3.0 4.0 0 7中图分类号 T N 9 5 7.5 1 文献标志码 A 文章编号 2 0 9 7-1 9 1 5(2 0 2 3)0 4-0 0 4 2-0 7J o i n t B e a m f o r m i n g a n d R e f l e c t O p t i m i z a t i o n f o r I R S-A s s i s t e d P B RZ OU K u n1,YANG B i n f e n g1,WANG L u y a o2,L A I L e i1,*,L I W e i1,C A I B i n1(1.I n f o r m a t i o n a n d N a v i g a t i o n S c h o o l,A i r F o r c e E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y,X ia n 7 1 0 0 7 7,C h i n a;2.S y s t e m s E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e,C h i n a N u c l e a r S t r a t e g i c P l a n n i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e L i m i t e d,B e i j i n g 1 0 0 4 8,C h i n a)A b s t r a c t D i r e c t p a t h i n t e r f e r e n c e,b e c a u s e o f t h e s m a l l p a t h l o s s,h a s a m u c h g r e a t e r i n t e r f e r e n c e i n t e n-s i t y t h a n t h e r e f l e c t e d e c h o o f t h e t a r g e t,w h i c h d i r e c t l y a f f e c t s 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 t h e p a s s i v e b i-s t a t i c r a d a r t a r g e t.I n t e l l i g e n t r e f l e c t s u r f a c e(I R S)h a s t h e a b i l i t y t o c o n t r o l t h e p r o p a g a t i o n o f e l e c t r o-m a g n e t i c w a v e s.F o r t h i s r e a s o n,a n I R S i s p l a c e d n e a r t h e r a d a r r e c e i v e r.B y o p t i m i z i n g t h e b e a m f o r m i n g o f t h e c h a n n e l r e c e i v e r a n d t h e r e f l e c t e d p h a s e o f t h e p a s s i v e I R S,t h e d i r e c t p a t h i n t e r f e r e n c e p o w e r e n t e-r i n g t h e r e c e i v e r c a n b e c o n s t r a i n e d t o a c e r t a i n r a n g e,a n d t h e t a r g e t e c h o p o w e r c a n b e m a x i m i z e d,t h u s i m p r o v i n g 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.T h e j o i n t o p t i m i z a t i o n p r o b l e m i s t r a n s f o r m e d i n t o t w o h o m o-g e n e o u s a n d n o n-h o m o g e n e o u s q u a d r a t i c a l l y c o n s t r a i n e d q u a d r a t i c p r o g r a mm i n g p r o b l e m s b y u s i n g a l t e r-n a t i n g o p t i m i z a t i o n m e t h o d.T h e o p t i m u m s o l u t i o n f o r b e a m f o r m i n g o f r e c e i v e r a n d r e f l e c t i v e p h a s e o f I R S i s o b t a i n e d b y u s i n g s e m i-d e f i n i t e r e l a x a t i o n m e t h o d a n d G a u s s i a n r a n d o m i z a t i o n m e t h o d.C o m p u t e r s i m u-l a t i o n a n a l y s i s s h o w s t h a t 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 p a s s i v e b i s t a t i c r a d a r u n d e r d i r e c t p a t h i n t e r f e r e n c e c a n b e e f f e c t i v e l y i m p r o v e d b y u s i n g t h e I R S.K e y w o r d s p a s s i v e b i s t a t i c r a d a r;d i r e c t p a t h i n t e r f e r e n c e;i n t e l l i g e n t r e f l e c t s u r f a c e;s e m i-d e f i n i t e r e l a x-a t i o n;d e t e c t i o n p e r f o r m a n c e 无 源 双 基 地 雷 达1-4(p a s s i v e b i s t a t i c r a d a r,P B R)是众多雷达技术分支的一种,其利用外辐射源实现目标的检测和跟踪,而本身不发射任何电磁信号,因此具有天然的电磁隐身性能,抗打击能力和抗摧毁能力优于常规有源雷达。同时由于无源雷达没有电磁波发射装置(如发射机、发射天线等),其体积更小、造价更低、机动性更好。在电磁频谱日益拥挤的今天,无源雷达不占用任何频谱资源,是一种绿色雷达。因此,无源雷达近些年来得到了广泛的关注。无源雷达的信号处理中,不能像常规有源雷达那样进行本地相参处理回波信号,而是需要配置两个接收通道,一个为参考通道,其接收天线波束指向外辐射源,另一个为监视通道,其接收天线波束指向待探测区域。以参考通道获得的参考信号与监视通道获得的回波信号进行互相关计算4,可以将目标显示在双站距离-双站速度二维平面上,从而进行目标的检测和跟踪。直接路径干扰(d i r e c t p a t h i n t e r f e r e n c e,D P I)是外辐射源信号未经过目标反射、直接进入监视通道而造成的干扰,其路径损耗明显小于反射回波,因此在与参考信号的互相关计算后,会产生较高的相关峰,可能会掩盖其他的弱目标回波信号,从而降低了信号的检测性能。针对直接路径干扰问题,文献5 分析了监视通道的D P I干扰和参考通道的噪声干扰对检测器性能的影响,分析结果表明,检测概率是信噪比、干噪比的函数。抑制D P I最直接的办法就是阻挡外辐射源与监视通道接收天线的视线传播6,通过合理布置监视通道天线的位置,可以有效降低D P I的 影响,但 这 种 方 法 依 赖 于 地 理 环 境。D P I抑制7还可以从监视通道天线的设计入手8,将波束的零点指向外辐射源方向,但考虑到阵列天线的非理想化,在接收数据残存的D P I功率仍然不可忽略,为此还需要进一步利用时域的方法进行滤波,其中包括了迭代算法9和基于最小二乘估计的D P I抑制算法1 0等。除此之外,可以在检测器结构设计阶段就考虑