论文总字数：23696字

摘 要

雷达作为一种极为重要的探测目标的手段，在很多领域都有着很广泛的运用。随着军事技术的高速发展，对雷达的探测能力也提出了更高的要求。而雷达的发射波形会在很大程度上影响雷达探测距离及目标检测性能。围绕此问题，本论文对雷达发射波形的优化设计进行了研究，具体包括：

(1) 介绍了雷达发射波形设计的理论基础，包括雷达发射波形的种类和雷达波形设计方法。分别从时域和频域角度，介绍了几种常见的发射波形，并简述了基于模糊函数、最大信噪比以及信息论的雷达波形设计方法及其过程；

(2) 研究了基于遗传算法的相位编码信号设计方法，包括距离扩展目标回波建模、雷达匹配发射-接收理论和遗传算法原理。仿真结果表明，经过遗传算法迭代得到的优化波形，其输出信噪比能较好地逼近完全匹配波形。

关键词：雷达 距离扩展目标 波形优化 遗传算法

Radar Waveform Design for Range Expanded Target

Abstract

Radar, as a very important means of detecting targets, is widely used in many fields. With the rapid development of military technology, higher requirements are put forward for radar detection capability. The radar transmitting waveform will greatly affect the radar detection range and target detection performance. Focusing on this problem, this thesis studies the optimal design of radar emission waveforms, including:

(1) The theoretical basis of radar transmit waveform design is introduced, including the types of radar transmit waveforms and radar waveform design methods. From the perspective of time domain and frequency domain, several common emission waveforms are introduced, and the radar waveform design method based on fuzzy function, maximum signal-to-noise ratio and information theory and its process are briefly described.

(2) The design method of phase coded signal based on genetic algorithm is studied, including distance extended target echo modeling, radar matching transmit-receive theory and genetic algorithm principle. The simulation results show that the output signal-to-noise ratio of the optimized waveform obtained by the genetic algorithm iteratively can approach the perfectly matched waveform.

Key Words: radar；range expanded target；waveform optimization；genetic algorithm

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究历程及现状 2

1.2.1 雷达的发展 2

1.2.2 雷达波形设计技术的发展 5

1.3 论文的内容安排 7

第二章 雷达发射波形设计的理论基础 8

2.1 雷达发射波形的种类 8

2.1.1 连续波形和脉冲波形 8

2.1.2 线性调频波形 10

2.1.3 相位编码波形 12

2.2 雷达波形设计方法 14

2.2.1 基于模糊函数的波形设计方法 14

2.2.2 基于最大信噪比的波形设计方法 15

2.2.3 基于信息论的波形设计方法 17

2.3 本章小结 18

第三章 基于遗传算法的雷达波形设计 19

3.1 面向距离扩展目标的波形设计 19

3.1.1 距离扩展目标回波模型 19

3.1.2 雷达匹配发射-接收理论 21

3.1.3 相位编码波形优化设计 25

3.2 遗传算法原理 26

3.3 仿真与分析 28

3.4 本章小结 32

第四章 总结与展望 33

参考文献 35

致 谢 37

绪论

研究背景及意义

雷达(Radar)，英文全称为radio detection and ranging。从雷达的英文全称中我们可以知道，雷达的作用就是进行目标探测和测量目标与雷达发射端之间的距离。实际生活运用中，雷达通过发射和接收信号，获得目标位置、距离、高度等信息。电子科技技术的发展也推动了雷达性能的发展。除了一开始的目标探测和目标定位的功能外，雷达还能通过回波信号判断出目标的属性。雷达的工作对象也不仅限于静止的目标，对于运动目标，雷达也能够根据回波信号中的信息计算出它的运动速度，甚至还能够获取运动目标在不同时间点的画像。在此基础上，雷达技术持续发展，最终能够对运动目标进行实时状态检测。

雷达作为一种极为重要的探测目标手段，在很多领域都有着很广泛的运用，特别是在军事领域中，雷达处于举足轻重而又无可取代的位置。随着时代的发展，现代世界之间的战争已经不再是单纯的暴力活动，而是逐步发展成为没有硝烟的信息战争。军事技术的高速发展对雷达的探测能力也提出了更高的要求：要求雷达的探测距离更远、目标识别能力更准确、抗干扰的能力更强等。

现如今使用的雷达系统中基本已经大量运用自适应技术，促使雷达的性能在复杂的环境下有了显著地提升。但运用于雷达发射端的自适应技术还处于实验阶段和起步阶段。为了实现对目标参数的估值和对目标的识别与跟踪，雷达需要从接收到的回波中提取更多的有效信息。而雷达的发射波形会在很大程度上影响雷达系统的探测距离、识别精度及抗干扰能力等。此外，雷达的发射波形还会在很大程度上影响回波信号中目标信息的多少与准确性。因此，为了提高雷达系统传输的可靠性与目标信息获取的准确性，对雷达的发射波形进行自适应优化设计是必不可少的。如果能够成功优化设计雷达发射波形，可以为之后根据不同目标环境，智能地选择和调整雷达的发射波形提供科学化的理论依据，并且还能够完善雷达自适应技术的知识架构，对雷达的理论研究和雷达的现实应用都有重大意义。

国内外研究历程及现状

世界上第一次出现雷达概念是在1886年，是由德国物理学家赫兹提出来的。从首次提出至今，雷达的发展已经走过了130多年。在1886年的时候，经过无数次试验，赫兹验证了电磁波的存在。在之后，他深入研究，发现了电磁波的产生过程，很快电磁波的发射与接收也一一被他验证。赫兹在研究电磁波本身的同时，还发现了电磁波与目标碰撞后会产生目标散射，这便是雷达工作的基本原理。在雷达工作原理面世后，美、苏联、英、法等国都相继展开对雷达技术的研究。到1937年，英国科学家瓦特研制出了世界上第一部可投入使用的军用雷达，从此开启了雷达在军事战争中的应用。二战期间，因雷达能够满足各国对外战争和对内防空的需要，所以各国都开始在本国部署不同型号的雷达。从此雷达开始频繁运用于军事战争中。到上世纪中期，雷达系统进入到成熟阶段，在地面、空中、海上和太空均被投入使用。雷达是随着时代和电子科技技术的发展而不断发展变化，因为雷达能够不断完善自身的性能和提高目标检测性能来满足社会和军事的需求，所以雷达具有不断向前发展的强大生命力。

雷达的发展

在研究雷达系统的初期，因落后的技术，雷达系统的发射端和接收端是处于非自适应技术工作模式。到上世纪中期以后，自适应信号处理技术被研发出来，雷达工作者试图在雷达系统中运用自适应技术。随着技术的发展，雷达接收端逐渐实现了自适应接收信号。之后人们开始重点研究雷达发射端的自适应技术。到2006年，加拿大的Simon Haykin教授提出认知雷达的概念^[1-3]。根据认知雷达的可知，认知雷达收发两端均可以采用自适应技术，所以又称认知雷达为全自适应雷达。

传统雷达

传统雷达通过发射电磁波信号和接收目标的反射信号工作^[4]。雷达接收机从环境中接收到发射信号，经过判决判断发射信号中的信息是否准确，再通过研究准确信息获取目标的位置信息。万物都有作为雷达探测目标的可能性，常见有的车辆、飞机、人造卫星等，炮弹、导弹、舰艇则是在军事战争中用的比较多，至于不常见的有自然界的山川河流，甚至天空飘的云、自然界下的雨都有成为雷达探测目标的可能性。至于说选择什么探测目标，这是根据环境的不同，或者雷达所要发挥的作用不同，视情况而定的。

下面拿典型单基地雷达作为例子，具体说明传统雷达的系统的基本原理和组织构成。首先，雷达发射机产生电磁能，然后将电磁能通过定向天线传输到大气中。定向天线有自己特定的波束，假设目标恰好处在其中，那么目标将会与发射的电磁能互相作用。部分电磁能会发生散射，雷达天线会搜集向雷达散射的电磁波^[13]。散射回来的电磁能信号很小，为了方便观察研究，会利用天线对其进行放大处理。经过雷达接收机处理后，就能获取所需的目标信息。

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