机会阵雷达关键技术研究

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机会阵雷达(OAR)是美国海军研究生院(NPS)在美国导弹防御局(MDA)指派下,针对宙斯盾(AEGIS)系统的不足,以下一代隐身驱逐舰DD(X)为设计原型,以弹道导弹防御(BMD)为应用背景提出的新概念数字阵雷达(DAR)。机会阵雷达以平台隐身性设计为核心,颠覆了作战系统设计以雷达为核心的传统理念;以数字阵列技术为基础,兼具搜索、跟踪、火控、引导、通信等功能于一体,具备灵活的工作模式(如PA模式、MIMO模式、Ubiquitous模式等),采用“机会性”方式工作的智能化新概念雷达。机会阵雷达具有智能生物人的仿生学特征,对外界环境具有认知能力,进而发现有利个体生存和发展的机会,并作出机会选择和管理。论文尝试将人工智能的机会理论引入雷达研究领域,为机会阵雷达提供基础理论支持。机会阵雷达单元被随机分布于载体平台3-D空间的任意可获得的开放位置,采用不同于传统雷达阵列的孔径结构(Aperstructure)方式。方向图综合、数字波束形成、信号同步传输将成为技术难题。   论文在国外学者有关机会阵雷达概念雏形描述理解基础上,阐述了机会阵雷达具体的应用概念,技术特性和工作原理,并分析了其现有的和潜在的关键技术问题,针对重要方面进行了论证。具体而言,从如下几方面进行了研究工作:   1.论文在大量文献和情报调研基础上,追溯了机会阵雷达概念来源,提出背景,针对机会阵概念的内涵和外延进行了新的补充和完善。论文将机会阵雷达归属为一种智能化分布式雷达,具有人工智能的属性,阐述了其仿生学原理,并将人工智能的机会理论引入其中,论述了机会阵雷达的机会发现、机会管理和机会测度等问题。   2.机会阵方向图综合,机会阵雷达数以万计的天线单元在3-D空间随机分布,为形成目标优化波束,需要约束多个自由度,如单元的空间位置,间距、激励状态和幅相加权等,方向图综合远比2-D平面稀疏阵复杂。论文提出了基于最小二乘-适应度评估的改进遗传算法(LSFE-GA)用于机会阵方向图综合。LSFE-GA将进化过程划分成若干“纪元”,在每个纪元中采用最小二乘法拟合若干代适应度变化曲线,根据曲线斜率变化预测进化趋势和算法收敛性。并据此自适应地改变遗传操作算子参数,可有效地避免运算陷入局部最优和过早收敛。计算机仿真验证了该算法的有效性,论文给出了详细的数学模型,算法过程、仿真参数及结果。   3.机会阵数字波束形成(DBF),机会阵以数字阵为基础,DBF是信号处理的基础。机会阵单元在空间任意分布,阵列信号处理灵活而复杂。经典的阵列信号处理方法,如各种参数估计方法和DBF算法多适用于均匀间隔的规则阵而不适用于非规则任意分布的机会阵。论文以自适应阵列信号处理为基础,采用最大信干噪比(MSINR)准则在Olen-Compton算法基础上设计了机会阵DBF方法。其原理是根据干扰对波束形成的影响规律,采用数字综合方法,通过迭代比较期望方向图与参考方向图之间的相对幅度差异,引入人为干扰在需要的方向形成强度抑制,实现对主瓣的赋形和旁瓣电平控制。论文给出了改进的Olen-Compton算法模型和迭代方程,仿真过程及结果。   4.信号传输与同步,机会阵雷达随机分布式的数字T/R组件(或单元)面临本振信号传输、时序同步与大容量数据分集等诸多难题。论文论证了机会数字阵信号特点和传输要求,比较了各种传输方案的优缺点和可行性,综合机会阵的“分布式”和“数字阵”的特点和技术成熟度、可行性等因素,选定无线传输和光纤传输方式设计了信号自适应同步传输链路。该链路具有实时监测单元位置和相位变化的能力,采用非标准的雷达帧时隙同步编码和快速同步算法,通过闭环自适应校准系统对通道一致性和相位扰动进行动态参量补偿。论文尝试建立了同步性对雷达系统性能影响的关系模型,该模型能够定量描述数字阵雷达的工作频率、带宽、波束指向误差等系统指标与信号同步性要求的关系。   5.机会阵工程应用初探,以用于弹道导弹防御和反隐身的机会数字阵雷达(ODARBC)为例,从系统总体的角度,介绍了机会阵系统的作战原理和技术要求。围绕ODARBC的工程应用问题进行了论述,如雷达参数灵敏度分析,T/R组件冷却方案、搜索方向图选择、电子攻击(EA)能力、舰船形体畸变弯曲影响、阵列天线的的对准与校准、动态补偿、顶层天线阵列布局规划,系统可靠性、可维护性、有效性与经济成本考虑等。   文章的最后,给出了需要进一步研究的工作。
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