A Novel Pulse-Agile Waveform Design Based on Random FM Waveforms for Range Sidelobe Suppression and Range Ambiguity Mitigation

作者: Qinyu Xie, Chenyu Liu, Zhenwei Mo, Wangzhe Li 年份: 2023 会议: IEEE TGRS 分类: _待整理

论文笔记:A Novel Pulse-Agile Waveform Design Based on Random FM Waveforms for Range Sidelobe Suppression and Range Ambiguity Mitigation

元信息

项目内容
机构National Key Laboratory of Microwave Imaging Technology, Aerospace Information Research Institute, Chinese Academy of Sciences; University of Chinese Academy of Sciences
日期October 2023
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对比基线OFDM Chirp, Piecewise NLFM, Orthogonal NLFM, Discrete Frequency-Coding, Reciprocating NLFM
链接IEEE Xplore

一句话总结

提出基于随机傅里叶系数的 RFM 波形模型,利用脉冲捷变实现距离旁瓣抑制和距离模糊消除。

核心贡献

RFM 波形模型: 提出基于随机傅里叶系数的 RFM 波形模型,通过理论推导频谱分布,确保恒包络、高频谱紧凑性和高效生成

脉冲捷变旁瓣抑制: 利用多个 RFM 波形脉压结果的复数累加实现距离旁瓣抑制,旁瓣性能随波形数 WW10log10(W)10\log_{10}(W) dB 下降

距离模糊消除: 利用 RFM 波形的良好准正交性,配合匹配滤波器组分离不同距离间隔的回波,实现距离模糊消除

问题背景

要解决的问题

雷达系统中 LFM 波形脉压后距离旁瓣高达 13.26-13.26 dB,导致目标遮蔽问题

重复发射相同波形导致距离模糊,限制强地/海杂波下的雷达动态范围

需要同时解决距离旁瓣抑制和距离模糊消除两个问题

现有方法的局限

加窗法: 降低旁瓣但引入附加滤波损耗,恶化 SNR

低脉冲重复频率: 抑制距离模糊但引起多普勒模糊

确定性调制波形优化(NLFM、OFDM Chirp等): 低旁瓣与良好准正交性之间存在 tradeoff;波形数增大时优化算法复杂度急剧上升

现有随机FM波形: 大多未同时满足恒包络和频谱紧凑性要求;混沌 FM 波形对初始状态敏感;迭代优化方法在大 TBP 下效率低

本文的动机

随机调制波形天然具有随机旁瓣(可通过多脉冲累加抑制)和良好准正交性(可用于距离模糊消除),且不存在确定性波形中低旁瓣与准正交性之间的 tradeoff

通过设计恒包络、频谱紧凑的 RFM 波形模型,可以高效生成大规模准正交波形族

方法详解

RFM 波形模型

基于随机傅里叶系数设计瞬时相位:

  • 信号模型: 矩形包络乘以随机相位调制 s(t)=rect(t/T)exp(jϕ(t))s(t) = \text{rect}(t/T) \exp(j\phi(t))
  • 相位函数: 由 NN 个随机傅里叶系数 KnK_n 的余弦级数构成
  • 随机性来源: K1,,KNU(D,D)K_1, \ldots, K_N \sim \mathcal{U}(-D, D),独立均匀分布
  • 两个关键设计参数: NN(傅里叶系数个数)控制随机性程度,DD(均匀分布区间)控制频谱紧凑性

频谱分布推导

由 CLT 推导瞬时频率 fif_i 近似服从 正态分布:

  • 均值 E(fi)=fc\text{E}(f_i) = f_c(载频)
  • 方差 Var(fi)B2D2N/6\text{Var}(f_i) \approx B^2 D^2 N / 6

利用 三西格马法则 确定 NNDD,使频谱能量集中在给定带宽内

RFM 波形设计框架

步骤 1 — 初始化: 输入 fc,B,T,Wf_c, B, T, W(载频、带宽、脉宽、波形数)

步骤 2 — 确定 Var(fi)\text{Var}(f_i) 范围: 2σ2\sigma bound 要求 D2N0.375D^2 N \le 0.3753σ3\sigma bound 要求 D2N0.167D^2 N \le 0.167

步骤 3 — 确定 NNDD: NN 由频率变化速率需求决定(文中取 30 或 100),DD 在满足频谱约束下尽量大以获得窄主瓣

步骤 4 — 生成随机傅里叶系数: WW 组独立的 {K1,,KN}\{K_1, \ldots, K_N\}

步骤 5 — 输出 RFM 波形: 将各组系数代入相位公式直接生成,无需迭代优化

脉冲捷变距离旁瓣抑制

WW 个 PRI 中依次发射不同的 RFM 波形

各波形脉压后旁瓣呈随机分布,主瓣位置不变

复数累加 WW 个脉压结果:不相干旁瓣抵消,相干主瓣增强

旁瓣抑制性能 10log10(W)\propto 10\log_{10}(W) dB,IRW 不受影响

距离模糊消除

不同距离间隔的回波对应不同 PRI 的 RFM 波形

利用 WW 个匹配 Filter Bank 分别对应 WW 个距离间隔

RFM 波形的准正交性确保不同距离间隔的回波被有效分离

最大无模糊距离扩展为 Rmax_RFM=W×PRI×c/2R_{\max\_\text{RFM}} = W \times \text{PRI} \times c / 2

关键公式

公式1: RFM 信号模型

s(t)=rect ⁣(tT)exp ⁣(jϕ(t))s(t) = \text{rect}\!\left(\frac{t}{T}\right) \exp\!\big(j\phi(t)\big)

含义: RFM 波形信号表达式,矩形包络保证恒幅特性

符号说明:

  • TT: 脉冲宽度(T/2tT/2-T/2 \le t \le T/2
  • ϕ(t)\phi(t): 随机相位函数

公式2: RFM 相位函数

ϕ(t)=2πfctπBTn=1NKnπncos ⁣(2πntT)\phi(t) = 2\pi f_c t - \pi B T \sum_{n=1}^{N} \frac{K_n}{\pi n} \cos\!\left(2\pi \frac{nt}{T}\right)

含义: 基于随机傅里叶系数的瞬时相位定义,载频项加余弦级数调制项

符号说明:

  • fcf_c: 载频
  • BB: 带宽
  • KnK_n: 第 nn 个随机傅里叶系数,KnU(D,D)K_n \sim \mathcal{U}(-D, D)
  • NN: 傅里叶系数总数

公式3: 瞬时频率

fi=fc+Bn=1NKnsin ⁣(2πntT)f_i = f_c + B \sum_{n=1}^{N} K_n \sin\!\left(2\pi \frac{nt}{T}\right)

含义: RFM 波形的瞬时频率,由载频加上随机傅里叶系数的正弦加权和

符号说明:

  • fif_i: 瞬时频率
  • 各符号同公式2

公式4: 瞬时频率方差

Var(fi)=B2D23n=1N(1cos4πntT2)=B2D26{Ncos2π(N+1)tTsin2πNtTsin2πtT}\text{Var}(f_i) = \frac{B^2 D^2}{3} \sum_{n=1}^{N} \left(\frac{1 - \cos\frac{4\pi nt}{T}}{2}\right) = \frac{B^2 D^2}{6} \left\{ N - \cos\frac{2\pi(N+1)t}{T} \cdot \frac{\sin\frac{2\pi Nt}{T}}{\sin\frac{2\pi t}{T}} \right\}

含义: 瞬时频率方差的精确表达式,用于分析频谱扩展范围

符号说明:

  • 各符号同前述公式

公式5: 瞬时频率方差近似

Var(fi)B2D2N6\text{Var}(f_i) \approx \frac{B^2 D^2 N}{6}

含义: 当 NN 较大时的近似方差,表明 DD 对频谱范围的影响是二次的,NN 是线性的

符号说明:

  • σ=(B2D2N/6)1/2\sigma = (B^2 D^2 N / 6)^{1/2}: 标准差,用于三西格马法则

公式6: 峰值旁瓣比

PSLR=20log10 ⁣(max{r(τ)}tmTr(0))\text{PSLR} = 20\log_{10}\!\left(\frac{\max\{|r(\tau)|\}_{t_m}^{T}}{|r(0)|}\right)

含义: 脉压后最高旁瓣与主瓣峰值之比(dB),衡量距离旁瓣抑制能力

符号说明:

  • r(τ)=s(t)s(t+τ)dtr(\tau) = \int_{-\infty}^{\infty} s(t)s^*(t+\tau)\,dt: 脉压(自相关)输出
  • tmt_m: 主瓣边界

公式7: 积分旁瓣比

ISLR=10log10 ⁣(0Tr(τ)2dτ0tmr(τ)2dτ)\text{ISLR} = 10\log_{10}\!\left(\frac{\int_0^{T} |r(\tau)|^2 d\tau}{\int_0^{t_m} |r(\tau)|^2 d\tau}\right)

含义: 旁瓣区域总能量与主瓣区域总能量之比(dB)

符号说明:

  • 主瓣范围 tm<0<tm-t_m < 0 < t_m

公式8: 最大无模糊距离

Rmax_RFM=W×PRI×c2R_{\max\_\text{RFM}} = \frac{W \times \text{PRI} \times c}{2}

含义: 使用 WW 个脉冲捷变 RFM 波形时的最大无模糊距离,比传统单波形扩展 WW

符号说明:

  • WW: 波形数
  • PRI\text{PRI}: 脉冲重复间隔
  • cc: 光速

关键图表

Figure 1: Time-frequency diagrams and power spectra of RFM waveforms / RFM波形的时频图和功率谱

说明: 展示不同设计参数 NNDD 下 RFM 波形的时频关系和频谱特性。(a)(b) N=30,D=0.05N=30, D=0.05: 带宽内的随机调频;(c)(d) N=30,D=0.1N=30, D=0.1: DD 增大导致频率变化范围扩大约2倍,频谱展宽;(e)(f) N=100,D=0.05N=100, D=0.05: NN 增大使频率变化更快、随机性更强。说明 DD 对频谱范围的影响大于 NN

Figure 2: Flowchart of the RFM waveform design framework / RFM波形设计框架流程图

说明: 设计流程:输入参数 (fc,B,T,W)(f_c, B, T, W) → 由三西格马法则确定 Var(fi)\text{Var}(f_i) 范围 → 确定 N,DN, D → 生成随机傅里叶系数 → 输出 RFM 波形 → 循环直至生成 WW 个波形。

Figure 3: ACFs of RFM waveforms / RFM波形的自相关函数

说明: (a) 四组不同 N,DN, D 参数的 RFM 波形 ACF 对比,旁瓣呈噪声状分布,PSLR 约 18-18 dB。(b) 主瓣放大对比,3σ3\sigma bound(DD 较小)的 IRW 为1.6,2σ2\sigma bound 的 IRW 为1.1。

Figure 4: CCFs of ten RFM waveforms / 10个RFM波形的互相关函数

说明: N=30,D=0.1118N=30, D=0.1118 时10个 RFM 波形的 CCF,峰值约 20-20 dB 以下,验证了 RFM 波形的良好准正交性。

Figure 5: Power spectra of four RFM waveforms / 四种参数下RFM波形的功率谱

说明: 2σ2\sigma bound 的频谱紧凑性约 95.5%,3σ3\sigma bound 约 99.7%,与理论推导一致。

Figure 6: Range sidelobe suppression by plural accumulation / 脉冲捷变旁瓣抑制原理图

说明: 核心方法示意图。WW 个不同 RFM 波形在不同 PRI 发射,各自脉压后 ACF 旁瓣随机,通过复数累加 WW 个 ACF,不相干旁瓣抵消而主瓣相干叠加,实现旁瓣抑制。W=100W=100 时效果显著。

Figure 7: ACFs of pulse-agile RFM waveforms (N=30N=30) / 脉冲捷变累加ACF (N=30)

说明: (a) 不同 WW 下累加 ACF 对比。(b) 主瓣放大图,IRW 不受 WW 影响始终为1.1。WW 从1增到1000,PSLR 从 18.5-18.5 dB 降至 48.3-48.3 dB。

Figure 8: ACFs of pulse-agile RFM waveforms (N=100N=100) / 脉冲捷变累加ACF (N=100)

说明: 与 Figure 7 类似但 N=100N=100。IRW 为1.6,PSLR 从 17.4-17.4 dB 降至 46.5-46.5 dB。验证旁瓣抑制效果与 NN 无关,仅与 WW 相关。

Figure 9: Range ambiguity mitigation / 距离模糊消除原理图

说明: 两个位于不同距离间隔的目标,回波在接收端混叠。利用 WW 个匹配滤波器组(Filter Bank 1 对应距离间隔1,Filter Bank 2 对应距离间隔2),借助 RFM 波形的准正交性分离不同距离间隔的回波。

Figure 10: Locations of two point targets / 两点目标位置示意图

说明: SAR 成像仿真中两种目标布局。Case 1: 两目标在同一距离间隔内(间距 ΔR\Delta R)。Case 2: 两目标分别在距离间隔1和2(间距 ΔR+Rmax\Delta R + R_{\max})。

Figure 11: SAR imaging results using LFM waveform / LFM 波形 SAR 成像结果

说明: (a) Case 1 下 LFM 两目标清晰可见。(c) Case 2 下距离间隔2的目标因距离模糊折叠进间隔1,表现为杂波干扰。(b)(d) 为对应距离剖面。

Figure 12: SAR imaging results using pulse-agile RFM waveforms / 脉冲捷变RFM波形SAR成像结果

说明: (a) Case 1: 两目标清晰,旁瓣有效抑制但主瓣略宽。(c) Case 2 Filter Bank 1: 目标1清晰,目标2被准正交性抑制。(e) Case 2 Filter Bank 2: 目标2清晰,目标1被抑制。(b)(d)(f) 为对应距离剖面。

Figure 13: Target scene for ISAR imaging / ISAR 实验场景

说明: 实验室中旋转三面角反射器(TCR)放置在旋转平台上的实物照片。

Figure 14: ISAR imaging of a rotational TCR / 旋转TCR的ISAR成像对比

说明: (a) LFM 波形成像结果,距离旁瓣明显。(b) 脉冲捷变 RFM 波形成像结果,距离旁瓣降低约 20 dB,IRW 略增至1.1。

Figure 15: Range compression results with LFM waveform / LFM 波形距离压缩结果

说明: 目标1和目标2的 LFM 距离压缩结果,两目标均可见且间距为 ΔR=40\Delta R = 40 m,但实际间距应为 ΔR+Rmax\Delta R + R_{\max},发生距离模糊。

Figure 16: Range compression results with pulse-agile RFM waveforms / 脉冲捷变RFM波形距离压缩结果

说明: (a) Filter Bank 1: 目标1被分离并可见,目标2被抑制。(b) Filter Bank 2: 目标2被分离并可见,目标1被抑制。PSLR 约 37-37 dB,距离模糊成功消除,两目标实际距离 ΔR+Rmax\Delta R + R_{\max} 正确恢复。

Table I: Parameter Design and Average Performance Evaluation of the RFM Waveforms / RFM波形参数设计与平均性能

BoundNNDDPSLR (dB)ISLR (dB)CCP (dB)IRWη\eta
2σ2\sigma300.1118-18.8-0.1-21.61.195.5%
2σ2\sigma1000.0612-19.8-0.0-21.81.195.6%
3σ3\sigma300.0745-17.6-0.1-20.21.699.8%
3σ3\sigma1000.0408-18.9-0.2-20.21.699.7%

说明: 100个 RFM 波形的平均性能。2σ2\sigma bound 的 IRW 更窄(1.1)但频谱紧凑性略低(~95.5%);3σ3\sigma bound 频谱紧凑性更高(~99.7%)但 IRW 增至1.6。单个波形 PSLR 约 18-18 dB。

Table II: CCP Levels of the RFM Waveforms With Different WW / 不同波形数W的CCP水平

WWAverage CCP (dB)Worst CCP (dB)
10-21.4-18.0
100-21.6-15.6
1000-21.6-14.7

说明: N=30,D=0.1118N=30, D=0.1118。平均 CCP 不随 WW 变化,但最差 CCP 随 WW 增大而略升(波形族扩大后最差情况恶化),实际影响有限。

Table III: Sidelobe Reduction of Pulse-Agile RFM Waveforms (N=30,D=0.1118N=30, D=0.1118)

WWPSLR (dB)ISLR (dB)IRW
1-18.5-0.31.1
10-29.8-9.81.1
100-39.8-19.41.1
1000-48.3-27.01.1

说明: 旁瓣抑制性能随 WW 增大约以 10log10(W)10\log_{10}(W) dB 下降,IRW 保持1.1不变。

Table IV: Sidelobe Reduction of Pulse-Agile RFM Waveforms (N=100,D=0.0408N=100, D=0.0408)

WWPSLR (dB)ISLR (dB)IRW
1-17.4-0.21.6
10-26.7-10.41.6
100-35.3-18.91.6
1000-46.5-25.41.6

说明: 3σ3\sigma bound 下旁瓣抑制效果略差于 2σ2\sigma bound,原因是更严格的频谱约束削弱了波形随机性。

Table V: PSLR and CCP Levels of Different Low Sidelobe Quasi-Orthogonal Waveforms / 不同波形对比

Waveform ModelPSLR (dB)Worst CCP (dB)TBPWaveform NumberDesign Algorithm
OFDM Chirp [26]-8.5-10.632004Random matrix modulation
OFDM Chirp [27]-27.0-25.732004Sequential quadratic programming
OFDM Chirp [28]-23.7-25.732004Gram-Schmidt orthogonalization
Piecewise NLFM [11]-23.0-27.25002Genetic algorithm
Orthogonal NLFM [35]-20.0-40.060002Augmented Lagrangian genetic algorithm
Discrete frequency-coding [29]-27.5-26.2328Genetic algorithm
Reciprocating NLFM [33]-33.0-26.432008Greedy optimization framework
Pulse-agile RFM (WW=4)-26.3-25.3 (Avg -25.9)32004RFM waveform design framework
Pulse-agile RFM (WW=8)-27.2-23.5 (Avg -25.6)32008RFM waveform design framework
Pulse-agile RFM (WW=100)-39.8-20.8 (Avg -25.8)3200100RFM waveform design framework
Pulse-agile RFM (WW=1000)-49.0-19.0 (Avg -25.8)32001000RFM waveform design framework

说明: 小波形数时 RFM 与优化方法性能相当;大波形数时 RFM 优势显著(W=1000W=1000 时 PSLR 达 49.0-49.0 dB),且不需要复杂优化。

Table VI: Simulation Parameters / SAR仿真参数

ParameterValue
Platform velocity150 m/s
Carrier frequency9.6 GHz
Pulse width10 μ\mus
PRI2500 μ\mus
Bandwidth100 MHz
Range sampling rate400 MHz

说明: SAR 点目标成像仿真参数配置。

Table VII: Comparison of Range Compression Result / 距离压缩结果对比

WaveformPSLR (dB)ISLR (dB)IRW
LFM-13.3-9.30.8
Pulse-agile RFM-40.0-19.21.0

说明: SAR 距离压缩中,脉冲捷变 RFM 波形的 PSLR 比 LFM 降低约 27 dB,ISLR 降低约 10 dB,IRW 仅略增。

实验

仿真实验

实验参数关键结果
波形性能对比TBP=3200, T=8μT=8\,\mus, B=400B=400 MHzW=1000W=1000 时 PSLR=49.0-49.0 dB, Avg CCP=25.8-25.8 dB
SAR 点目标成像X 波段, B=100B=100 MHz旁瓣降低 ~27 dB, 距离模糊成功消除

微波成像实验 (ISAR)

设备: Keysight AWG M8190A 任意波形发生器, Agilent 83020A 放大器, Agilent Infiniium DSO-X 92004A 示波器

目标: 旋转三面角反射器 (TCR)

参数: fc=7f_c = 7 GHz, B=100B = 100 MHz, T=10μT = 10\,\mus, N=30,D=0.1118N=30, D=0.1118, 采样率 10 GSa/s

关键结果:

  • 距离旁瓣抑制:RFM 波形比 LFM 降低约 20 dB,IRW=1.1
  • 距离模糊消除:ΔR=40\Delta R = 40 m, Rmax=1.5R_{\max} = 1.5 km, PRI=10μ10\,\mus,成功分离两距离间隔目标,PSLR 约 37-37 dB

批判性思考

优点

高效生成: 波形直接由公式生成,无需迭代优化,可高效产生大规模波形族(W=1000W=1000 甚至更多)

理论完备: 频谱分布有严格的理论推导(CLT + 三西格马法则),设计框架有明确的参数选取准则

双重功能: 一套波形同时解决距离旁瓣抑制和距离模糊消除,无需分别设计

可扩展性强: 旁瓣抑制性能随 WW 稳定提升,不受优化复杂度限制

实验验证充分: 既有仿真又有实物实验(ISAR),可信度高

局限性

IRW 代价: 2σ2\sigma bound 的 IRW=1.1,3σ3\sigma bound 的 IRW=1.6,均大于 LFM 的 IRW=0.886,意味着距离分辨率有所损失

单脉冲性能有限: 单个 RFM 波形的 PSLR 仅约 18-18 dB(与噪声旁瓣统计特性一致),必须依赖多脉冲累加

最差 CCP 随 WW 略升: 波形族扩大后最差情况的互相关峰值恶化,对远距离弱目标可能有影响

未讨论多普勒敏感性: 论文未分析 RFM 波形在多普勒频移下的性能退化

SAR 成像仅限点目标: 未展示面目标或复杂场景的成像效果

潜在改进方向

研究 RFM 波形的多普勒容限和模糊函数特性

结合自适应滤波进一步降低 IRW 代价

扩展到 MIMO 雷达中的多发射波形设计

研究在杂波和干扰环境下的鲁棒性

可复现性评估

  • 代码开源
  • 预训练模型(不适用)
  • 实验细节完整(参数明确、设计流程清晰)
  • 数据可获取(仿真参数公开,可自行复现)

关联笔记

基于

LFM: 传统雷达波形,本文基线

NLFM: 确定性调制低旁瓣波形设计的主流方法

对比

OFDM Chirp: 基于优化的准正交波形设计

Piecewise NLFM: 分段 NLFM 低旁瓣设计

Reciprocating NLFM: 往复式 NLFM 贪心优化

Discrete Frequency-Coding: 离散频率编码波形

方法相关

Random FM: 核心波形模型

Pulse Agility: 多脉冲不同波形的发射策略

傅里叶级数: 相位函数的数学基础

CLT: 频谱分布推导的理论基础

三西格马法则: 参数设计框架的核心工具

Matched Filter: 脉冲压缩与滤波器组设计

Quasi-Orthogonality: RFM 波形的关键性质

应用相关

SAR 成像: 合成孔径雷达成像应用

ISAR 成像: 逆合成孔径雷达成像实验验证

速查卡片

A Novel Pulse-Agile Waveform Design Based on Random FM Waveforms for Range Sidelobe Suppression and Range Ambiguity Mitigation

  • 核心: 基于随机傅里叶系数的 RFM 波形 + 脉冲捷变,同时实现距离旁瓣抑制和距离模糊消除
  • 方法: RFM 波形用随机傅里叶系数定义相位,三西格马法则确定参数;多脉冲累加抑制旁瓣,滤波器组消除距离模糊
  • 结果: W=1000W=1000 时 PSLR=49.0-49.0 dB, CCP=25.8-25.8 dB; ISAR 实验旁瓣降低 ~20 dB
  • 代码: 无公开代码

笔记创建时间: 2026-04-01