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2023年 第45卷 第11期
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2023,
45(11):
3821-3829. doi: 10.11999/JEIT230827
摘要:
双功能雷达通信一体化系统可以使硬件和频谱资源得到有效利用，是解决当前无线频谱资源紧张问题的一种有效途径。该文针对同时多目标探测与多用户通信场景，以雷达接收回波的信干噪比(SINR)为指标保障雷达的探测性能，采用通信多用户干扰(MUI)作为通信指标保证通信传输性能。与此同时，为保证发射端功率放大器工作在饱和区域，增加了波形恒模的约束条件。该文通过对波形以及滤波器的联合优化，提出了一种在满足通信MUI功率一定的情况下，最大化雷达多目标探测回波最小信干噪比(SINR)的波形设计优化模型。针对此优化问题，采用了交替迭代优化的方法来求解此问题。仿真结果表明，所设计的波形在多目标探测以及多用户通信场景下，通过调整通信MUI功率门限，可以在保证通信MUI功率性能前提下，实现对多目标回波最小SINR的优化。
双功能雷达通信一体化系统可以使硬件和频谱资源得到有效利用，是解决当前无线频谱资源紧张问题的一种有效途径。该文针对同时多目标探测与多用户通信场景，以雷达接收回波的信干噪比(SINR)为指标保障雷达的探测性能，采用通信多用户干扰(MUI)作为通信指标保证通信传输性能。与此同时，为保证发射端功率放大器工作在饱和区域，增加了波形恒模的约束条件。该文通过对波形以及滤波器的联合优化，提出了一种在满足通信MUI功率一定的情况下，最大化雷达多目标探测回波最小信干噪比(SINR)的波形设计优化模型。针对此优化问题，采用了交替迭代优化的方法来求解此问题。仿真结果表明，所设计的波形在多目标探测以及多用户通信场景下，通过调整通信MUI功率门限，可以在保证通信MUI功率性能前提下，实现对多目标回波最小SINR的优化。
2023,
45(11):
3830-3838. doi: 10.11999/JEIT230787
摘要:
随着越来越多的高频电路被集成到芯片中，高频芯片电磁兼容(IC-EMC)问题越来越突出。带状线小室是测量芯片辐射发射和抗扰度的重要设备，然而带宽是限制其应用的主要因素。该文依据IEC标准，将磁介质吸波材料应用于带状线小室以扩展小室的工作带宽，并提出将粒子群算法(PSO)和二分法相结合的方法，计算磁介质材料的可用电磁参数范围。计算结果表明，磁介质吸波材料可以将带状线小室的工作带宽由0～6 GHz最大扩展到0～10 GHz。测试选用的磁介质吸波材料的电磁参数在0～9 GHz频段内符合计算结果，9 GHz以上频段的参数超出了计算结果范围。应用该材料的带状线小室S参数测试结果表明，该材料将带状线小室的工作带宽由0～6 GHz扩展到了0～9 GHz，与计算结果一致，证明了该方法的有效性。与传统方法相比，所提方法的效率提高了73.3%。此外，所提出的方法亦适用于类似目标约束下的参数范围计算问题。
随着越来越多的高频电路被集成到芯片中，高频芯片电磁兼容(IC-EMC)问题越来越突出。带状线小室是测量芯片辐射发射和抗扰度的重要设备，然而带宽是限制其应用的主要因素。该文依据IEC标准，将磁介质吸波材料应用于带状线小室以扩展小室的工作带宽，并提出将粒子群算法(PSO)和二分法相结合的方法，计算磁介质材料的可用电磁参数范围。计算结果表明，磁介质吸波材料可以将带状线小室的工作带宽由0～6 GHz最大扩展到0～10 GHz。测试选用的磁介质吸波材料的电磁参数在0～9 GHz频段内符合计算结果，9 GHz以上频段的参数超出了计算结果范围。应用该材料的带状线小室S参数测试结果表明，该材料将带状线小室的工作带宽由0～6 GHz扩展到了0～9 GHz，与计算结果一致，证明了该方法的有效性。与传统方法相比，所提方法的效率提高了73.3%。此外，所提出的方法亦适用于类似目标约束下的参数范围计算问题。
2023,
45(11):
3839-3847. doi: 10.11999/JEIT221216
摘要:
针对非高斯非均匀海杂波背景下雷达海面目标检测性能改善的问题，该文基于海杂波的先验知识提出了一种自适应Rao雷达目标检测方法。首先将海杂波的纹理分量和散斑协方差矩阵分别建模为逆高斯随机变量和逆复Wishart分布的随机矩阵，然后基于Rao检验和未知参数估计，设计了一种匹配海杂波特性的雷达目标自适应Rao检测方法。通过理论推导和实验验证了所提检测方法对杂波平均功率和协方差均值矩阵具有恒虚警特性。仿真数据和实测数据实验结果表明，在非高斯非均匀环境下所提检测方法优于已有检测方法，并且具有良好的鲁棒性。
针对非高斯非均匀海杂波背景下雷达海面目标检测性能改善的问题，该文基于海杂波的先验知识提出了一种自适应Rao雷达目标检测方法。首先将海杂波的纹理分量和散斑协方差矩阵分别建模为逆高斯随机变量和逆复Wishart分布的随机矩阵，然后基于Rao检验和未知参数估计，设计了一种匹配海杂波特性的雷达目标自适应Rao检测方法。通过理论推导和实验验证了所提检测方法对杂波平均功率和协方差均值矩阵具有恒虚警特性。仿真数据和实测数据实验结果表明，在非高斯非均匀环境下所提检测方法优于已有检测方法，并且具有良好的鲁棒性。
2023,
45(11):
3848-3859. doi: 10.11999/JEIT230767
摘要:
该文通过联合优化雷达发射波形，接收滤波器以及部署在场景中的智能反射面(RIS)，来增强雷达系统在杂波环境下的目标检测性能。在雷达波形和RIS相移矢量离散相位约束的前提下，该文采用系统输出信干噪比(SINR)为优化目标来建立RIS辅助下的雷达目标检测性能增强问题。为求解所形成的联合非凸优化问题，该文提出了一种交替优化求解策略，在每一轮迭代中基于优化子最大化的思想次序的两个关于波形和RIS相移矢量的优化子问题。仿真实验证明所提优化算法能够在满足恒模多相约束的情况下，提供高质量的RIS相移矢量-雷达收发波形，使得RIS辅助下的雷达系统目标检测性能得到明显的增强。
该文通过联合优化雷达发射波形，接收滤波器以及部署在场景中的智能反射面(RIS)，来增强雷达系统在杂波环境下的目标检测性能。在雷达波形和RIS相移矢量离散相位约束的前提下，该文采用系统输出信干噪比(SINR)为优化目标来建立RIS辅助下的雷达目标检测性能增强问题。为求解所形成的联合非凸优化问题，该文提出了一种交替优化求解策略，在每一轮迭代中基于优化子最大化的思想次序的两个关于波形和RIS相移矢量的优化子问题。仿真实验证明所提优化算法能够在满足恒模多相约束的情况下，提供高质量的RIS相移矢量-雷达收发波形，使得RIS辅助下的雷达系统目标检测性能得到明显的增强。
2023,
45(11):
3860-3867. doi: 10.11999/JEIT221259
摘要:
为提升双基地EMVS-MIMO雷达的多维参数估计性能，该文提出利用发射/接收EMVS的差分阵列结构来实现多维参数的高分辨估计。对于阵列接收数据，可以利用高阶张量来实现对发射/接收EMVS的差分阵列的构建。首先，利用高阶张量的交换和缩并规则来构建一个包含原始发射/接收EMVS差分阵列结构的5阶张量模型；通过利用两个选择矩阵，可以剔除该张量模型中差分阵列的重复元素，且获得的差分阵列的自由度为原始阵列自由度的两倍。然后，对新构建的5阶张量模型再次进行张量的缩并处理可以获得一个第3个维度为36的3阶张量模型。最后，通过利用平行因子分解算法可以实现对发射4维参数和接收4维参数进行有效的求解。仿真实验表明，该文对差分阵列的构建有效地实现了双基地EMVS-MIMO雷达中多维参数估计性能的提升。
为提升双基地EMVS-MIMO雷达的多维参数估计性能，该文提出利用发射/接收EMVS的差分阵列结构来实现多维参数的高分辨估计。对于阵列接收数据，可以利用高阶张量来实现对发射/接收EMVS的差分阵列的构建。首先，利用高阶张量的交换和缩并规则来构建一个包含原始发射/接收EMVS差分阵列结构的5阶张量模型；通过利用两个选择矩阵，可以剔除该张量模型中差分阵列的重复元素，且获得的差分阵列的自由度为原始阵列自由度的两倍。然后，对新构建的5阶张量模型再次进行张量的缩并处理可以获得一个第3个维度为36的3阶张量模型。最后，通过利用平行因子分解算法可以实现对发射4维参数和接收4维参数进行有效的求解。仿真实验表明，该文对差分阵列的构建有效地实现了双基地EMVS-MIMO雷达中多维参数估计性能的提升。
2023,
45(11):
3868-3876. doi: 10.11999/JEIT221362
摘要:
针对常用多站无源定位技术存在时差(TDOA)/频差(FDOA)定位对超低旁瓣辐射源适应性差、测向(DOA)定位的造价成本和系统复杂度高等缺点，该文提出了一种基于相位差(PDOA)的多站无源定位新体制，利用每个观测站上至少两个接收天线和通道构成的长基线干涉仪(LBI)，通过测量辐射源信号到达长基线干涉仪天线的相位差实现定位。针对相位差的2π模糊引入的非线性和非连续性，提出了一种基于多假设迭代优化的定位方法，首先利用一组相位差确定多个可能的辐射源位置初始值，然后采用高斯-牛顿(GN)方法对每个位置初始值进行迭代优化并计算代价函数，最后选择具有最小代价函数的估计值作为最终的定位结果。该方法可获取稳健的迭代初始值，算法运算量适中。仿真结果表明该定位方法的均方根误差(RMSE)在高斯观测噪声条件下可达到克拉美罗下限(CRLB)。
针对常用多站无源定位技术存在时差(TDOA)/频差(FDOA)定位对超低旁瓣辐射源适应性差、测向(DOA)定位的造价成本和系统复杂度高等缺点，该文提出了一种基于相位差(PDOA)的多站无源定位新体制，利用每个观测站上至少两个接收天线和通道构成的长基线干涉仪(LBI)，通过测量辐射源信号到达长基线干涉仪天线的相位差实现定位。针对相位差的2π模糊引入的非线性和非连续性，提出了一种基于多假设迭代优化的定位方法，首先利用一组相位差确定多个可能的辐射源位置初始值，然后采用高斯-牛顿(GN)方法对每个位置初始值进行迭代优化并计算代价函数，最后选择具有最小代价函数的估计值作为最终的定位结果。该方法可获取稳健的迭代初始值，算法运算量适中。仿真结果表明该定位方法的均方根误差(RMSE)在高斯观测噪声条件下可达到克拉美罗下限(CRLB)。
2023,
45(11):
3877-3886. doi: 10.11999/JEIT221469
摘要:
作为一种新型的有源干扰样式，间歇采样转发干扰(ISRJ)引起了人们越来越多的关注。极化是表征电磁波矢量性的重要参数，其引入可以显著提高雷达在抗干扰方面的性能。为此，该文针对性地研究了全极化雷达的抗ISRJ方法，通过波形设计和优化以获取比传统单极化雷达更好的抗干扰性能。另外，针对宽带雷达条件下现有抗ISRJ问题表征中未考虑目标特性对信号调制作用这一短板，该文在信干比的数学表达式中加入了目标特性调制这一因素。在此基础上，提出了一种具有多普勒容忍的抗ISRJ全极化雷达波形设计方法。采用实测目标数据开展的实验表明：与单极化雷达相比，极化信息的引入显著提高了雷达对ISRJ的抑制性能；宽带条件下，考虑扩展目标对信号的调制作用在信干比的计算上具有必要性。
作为一种新型的有源干扰样式，间歇采样转发干扰(ISRJ)引起了人们越来越多的关注。极化是表征电磁波矢量性的重要参数，其引入可以显著提高雷达在抗干扰方面的性能。为此，该文针对性地研究了全极化雷达的抗ISRJ方法，通过波形设计和优化以获取比传统单极化雷达更好的抗干扰性能。另外，针对宽带雷达条件下现有抗ISRJ问题表征中未考虑目标特性对信号调制作用这一短板，该文在信干比的数学表达式中加入了目标特性调制这一因素。在此基础上，提出了一种具有多普勒容忍的抗ISRJ全极化雷达波形设计方法。采用实测目标数据开展的实验表明：与单极化雷达相比，极化信息的引入显著提高了雷达对ISRJ的抑制性能；宽带条件下，考虑扩展目标对信号的调制作用在信干比的计算上具有必要性。
2023,
45(11):
3896-3905. doi: 10.11999/JEIT230331
摘要:
间歇采样转发干扰(ISRJ)是一种先进的有源相干干扰技术，对雷达的探测性能有较大的影响，且现有抗ISRJ的方法需要求解复杂的波形优化问题以及需进行干扰识别和剔除。于是，在深入研究ISRJ的基础上，该文基于完全互补码提出一种抗ISRJ的方法。针对ISRJ时域采样不连续的特点，该文首先通过脉内频域正交的方法将完全互补码中的所有互补波形按照子脉冲掩护的方式编入单个脉冲雷达波形。然后，基于脉内分段脉冲压缩的处理方式，利用完全互补码波形的理想互相关和自相关特性，设计非匹配滤波器系数在抑制ISRJ的同时能得到较低的距离旁瓣。相比于现有抗ISRJ的方法，所提方法在线设计能力更强且无需进行干扰识别和剔除。仿真实验表明所设计波形能有效对抗多种样式的ISRJ且具有较高的多普勒容忍度。
间歇采样转发干扰(ISRJ)是一种先进的有源相干干扰技术，对雷达的探测性能有较大的影响，且现有抗ISRJ的方法需要求解复杂的波形优化问题以及需进行干扰识别和剔除。于是，在深入研究ISRJ的基础上，该文基于完全互补码提出一种抗ISRJ的方法。针对ISRJ时域采样不连续的特点，该文首先通过脉内频域正交的方法将完全互补码中的所有互补波形按照子脉冲掩护的方式编入单个脉冲雷达波形。然后，基于脉内分段脉冲压缩的处理方式，利用完全互补码波形的理想互相关和自相关特性，设计非匹配滤波器系数在抑制ISRJ的同时能得到较低的距离旁瓣。相比于现有抗ISRJ的方法，所提方法在线设计能力更强且无需进行干扰识别和剔除。仿真实验表明所设计波形能有效对抗多种样式的ISRJ且具有较高的多普勒容忍度。
2023,
45(11):
3906-3917. doi: 10.11999/JEIT230740
摘要:
间歇采样转发干扰(ISRJ)是一种基于欠采样原理的新型雷达干扰技术，此类干扰信号能够在雷达1维距离像(HRRP)上形成密集假目标，给目标检测带来一定挑战。针对雷达在间歇采样转发干扰背景下无法准确检测到目标的问题，一种基于多层子带匹配滤波的抗间歇采样转发干扰目标检测算法被提出。该方法首先以传统雷达匹配滤波函数为基础设计子带匹配滤波函数；随后，针对间歇采样转发干扰信号和目标回波信号的时间差异，构建子带匹配滤波信号模型，逐步分析并揭示了间歇采样转发干扰信号对子带匹配滤波函数时宽的敏感性；最后，基于此设计出基于多层子带匹配滤波的抗间歇采样转发干扰目标检测方法，并进行了仿真实验验证。实验结果表明：多层子带匹配滤波方法无需事先获得干扰的先验信息，可使雷达在受到间歇采样转发干扰且信干比大于–20 dB时，目标检测概率大于80%。
间歇采样转发干扰(ISRJ)是一种基于欠采样原理的新型雷达干扰技术，此类干扰信号能够在雷达1维距离像(HRRP)上形成密集假目标，给目标检测带来一定挑战。针对雷达在间歇采样转发干扰背景下无法准确检测到目标的问题，一种基于多层子带匹配滤波的抗间歇采样转发干扰目标检测算法被提出。该方法首先以传统雷达匹配滤波函数为基础设计子带匹配滤波函数；随后，针对间歇采样转发干扰信号和目标回波信号的时间差异，构建子带匹配滤波信号模型，逐步分析并揭示了间歇采样转发干扰信号对子带匹配滤波函数时宽的敏感性；最后，基于此设计出基于多层子带匹配滤波的抗间歇采样转发干扰目标检测方法，并进行了仿真实验验证。实验结果表明：多层子带匹配滤波方法无需事先获得干扰的先验信息，可使雷达在受到间歇采样转发干扰且信干比大于–20 dB时，目标检测概率大于80%。
2023,
45(11):
3918-3926. doi: 10.11999/JEIT220969
摘要:
基于多输入多输出(MIMO)阵列的综合射频(MFRF)系统通过优化多波形，可以在不同角度辐射不同的信号，进而同时实现多种功能。然而，当存在角度误差时，综合射频系统所合成的信号会出现畸变，这将导致系统性能下降。该文主要考虑存在角度误差时，对综合射频系统鲁棒波形设计算法进行研究。首先，提出基于最小最大化(Min-Max)框架的MIMO阵列多波形优化问题。同时，为减少非线性功放引起的波形失真，对发射波形施加了峰均比(PAPR)约束。为求解此问题，该文提出了基于交替方向乘子法(ADMM)和Majorization-Minimization(MM)方法的波形优化算法。仿真实验结果表明，当存在角度误差时，所提算法能够获得更好的性能。
基于多输入多输出(MIMO)阵列的综合射频(MFRF)系统通过优化多波形，可以在不同角度辐射不同的信号，进而同时实现多种功能。然而，当存在角度误差时，综合射频系统所合成的信号会出现畸变，这将导致系统性能下降。该文主要考虑存在角度误差时，对综合射频系统鲁棒波形设计算法进行研究。首先，提出基于最小最大化(Min-Max)框架的MIMO阵列多波形优化问题。同时，为减少非线性功放引起的波形失真，对发射波形施加了峰均比(PAPR)约束。为求解此问题，该文提出了基于交替方向乘子法(ADMM)和Majorization-Minimization(MM)方法的波形优化算法。仿真实验结果表明，当存在角度误差时，所提算法能够获得更好的性能。
2023,
45(11):
3927-3934. doi: 10.11999/JEIT230415
摘要:
为满足无载波超宽带(UWB)引信高斯组合脉冲波形设计需求，该文提出一种基于正交化寻基(OBS)的快速功率谱拟合方法。根据脉冲形成因子的取值范围构造多个候选的高斯脉冲函数，在通过最大化互信息实现功率谱设计的基础上，以循环迭代的方法进行功率谱拟合，每次迭代都对候选高斯脉冲函数进行施密特正交化，并通过内积计算快速地找出尚未被选取的候选高斯脉冲函数中与残留幅度频谱最匹配的一个，最终，根据选定高斯脉冲函数与它们正交化函数之间的矩阵关系确定加权系数，从而得到组合波形，使得拟合出的功率谱与设计功率谱之间达到较好相似性。通过仿真，验证了该文所提方法的有效性，及其相对于粒子群迭代算法的高效性。
为满足无载波超宽带(UWB)引信高斯组合脉冲波形设计需求，该文提出一种基于正交化寻基(OBS)的快速功率谱拟合方法。根据脉冲形成因子的取值范围构造多个候选的高斯脉冲函数，在通过最大化互信息实现功率谱设计的基础上，以循环迭代的方法进行功率谱拟合，每次迭代都对候选高斯脉冲函数进行施密特正交化，并通过内积计算快速地找出尚未被选取的候选高斯脉冲函数中与残留幅度频谱最匹配的一个，最终，根据选定高斯脉冲函数与它们正交化函数之间的矩阵关系确定加权系数，从而得到组合波形，使得拟合出的功率谱与设计功率谱之间达到较好相似性。通过仿真，验证了该文所提方法的有效性，及其相对于粒子群迭代算法的高效性。
2023,
45(11):
3935-3944. doi: 10.11999/JEIT230914
摘要:
水下信息实时传输的需求与日俱增，水声通信和光通信等传统通信手段在传输安全性与稳定性方面具有先天难以弥补的劣势，且在传输速率方面难以形成突破，因此亟待对新技术进行研究。为解决此问题，近年一些学者提出一种新机理、新材料和新工艺的小型化天线，有望实现低频天线在尺寸和性能上的跨越，实现水下通信技术的变革。该文对此类声波激励小型化天线进行研究。首先阐述并建立了天线辐射机理及理论模型，分析了不同材料参数对天线性能的影响；然后根据模型参数设计加工了基于铌酸锂(LiNbO3)晶体的压电型声波激励天线样机，实验结果表明在40.83 kHz谐振频率处，与同尺寸单极子天线相比，其接收电压峰值为后者的22倍，辐射效率为400多倍；最后对天线进行了方位测试和辐射效率计算。上述结果表明：基于压电晶体的声波激励天线技术在低频段小型化、机动化水下无线通信设备的应用中具有巨大潜力。
水下信息实时传输的需求与日俱增，水声通信和光通信等传统通信手段在传输安全性与稳定性方面具有先天难以弥补的劣势，且在传输速率方面难以形成突破，因此亟待对新技术进行研究。为解决此问题，近年一些学者提出一种新机理、新材料和新工艺的小型化天线，有望实现低频天线在尺寸和性能上的跨越，实现水下通信技术的变革。该文对此类声波激励小型化天线进行研究。首先阐述并建立了天线辐射机理及理论模型，分析了不同材料参数对天线性能的影响；然后根据模型参数设计加工了基于铌酸锂(LiNbO3)晶体的压电型声波激励天线样机，实验结果表明在40.83 kHz谐振频率处，与同尺寸单极子天线相比，其接收电压峰值为后者的22倍，辐射效率为400多倍；最后对天线进行了方位测试和辐射效率计算。上述结果表明：基于压电晶体的声波激励天线技术在低频段小型化、机动化水下无线通信设备的应用中具有巨大潜力。
2023,
45(11):
3945-3954. doi: 10.11999/JEIT230762
摘要:
为了深入分析能量选择防护结构(ESS)等周期结构作为天线罩时与天线产生的耦合效应，提高分析效率，该文提出一种基于坡印廷矢量法的耦合效应分析方法。该文从收发互易的角度，将天线当作发射器而非常规方法中的接收器对天线的电磁特性进行分析。从接收的角度理解，天线是一种从自由空间中捕获能量的装置，而能量分布可以通过坡印廷能流密度曲线来描述。同样地，能量选择防护结构对电磁波的扰动也可以通过能流密度曲线来描述。因此，天线、防护结构以及二者的耦合效应均可通过能流密度曲线进行研究和分析。结果表明，该文所提方法与常规分析方法具有良好的一致性。相比于常规分析方法，该文方法可同时对天线与防护结构的耦合效应进行可视化分析与量化评估，指导防护结构的尺寸、形状设计以及最佳安装位置，显著提高设计效率。
为了深入分析能量选择防护结构(ESS)等周期结构作为天线罩时与天线产生的耦合效应，提高分析效率，该文提出一种基于坡印廷矢量法的耦合效应分析方法。该文从收发互易的角度，将天线当作发射器而非常规方法中的接收器对天线的电磁特性进行分析。从接收的角度理解，天线是一种从自由空间中捕获能量的装置，而能量分布可以通过坡印廷能流密度曲线来描述。同样地，能量选择防护结构对电磁波的扰动也可以通过能流密度曲线来描述。因此，天线、防护结构以及二者的耦合效应均可通过能流密度曲线进行研究和分析。结果表明，该文所提方法与常规分析方法具有良好的一致性。相比于常规分析方法，该文方法可同时对天线与防护结构的耦合效应进行可视化分析与量化评估，指导防护结构的尺寸、形状设计以及最佳安装位置，显著提高设计效率。
2023,
45(11):
3955-3964. doi: 10.11999/JEIT230805
摘要:
物理不可克隆函数(PUF)作为芯片及系统的安全可信“根”，广泛应用在密钥管理、设备认证和指纹识别等重要领域，是目前解决芯片及系统安全问题最有效的方法之一。该文通过对PUF电路结构、工作特性和现场可编程门阵列(FPGA)结构的研究，提出一种基于可配置延迟链的蝶形强PUF (CBS-PUF)设计方法。首先利用FPGA中3种基本单元构建两条对称的可配置延迟链，并将延迟链首尾交错互联形成蝶形强PUF；然后基于FPGA搭建了PUF测试平台并开发了响应采集工具，实现激励-响应的自动化采集；最后，分析CBS-PUF的可靠性、均匀性和唯一性等性能，并讨论了抗模型攻击的具体方案。实验结果表明CBS-PUF的稳定性为99.34%，均匀性为51.02%，唯一性为47.2%，模型攻击效率最高为50.91%，可广泛应用在芯片及系统安全领域。
物理不可克隆函数(PUF)作为芯片及系统的安全可信“根”，广泛应用在密钥管理、设备认证和指纹识别等重要领域，是目前解决芯片及系统安全问题最有效的方法之一。该文通过对PUF电路结构、工作特性和现场可编程门阵列(FPGA)结构的研究，提出一种基于可配置延迟链的蝶形强PUF (CBS-PUF)设计方法。首先利用FPGA中3种基本单元构建两条对称的可配置延迟链，并将延迟链首尾交错互联形成蝶形强PUF；然后基于FPGA搭建了PUF测试平台并开发了响应采集工具，实现激励-响应的自动化采集；最后，分析CBS-PUF的可靠性、均匀性和唯一性等性能，并讨论了抗模型攻击的具体方案。实验结果表明CBS-PUF的稳定性为99.34%，均匀性为51.02%，唯一性为47.2%，模型攻击效率最高为50.91%，可广泛应用在芯片及系统安全领域。
2023,
45(11):
3965-3972. doi: 10.11999/JEIT230438
摘要:
随着集成电路特征尺寸的不断缩减，CMOS集成电路的单粒子效应问题越来越严重。为了提高低压差线性稳压器(LDO)的单粒子瞬态(SET)效应加固效果，该文通过SPICE电路仿真和重离子实验研究了一种28 nm CMOS工艺LDO的SET失效机制，并研究了关键器件尺寸大小对SET脉冲的影响，提出一种有效的LDO加固方法。SPICE电路仿真发现这种LDO的敏感节点主要位于误差放大器(EA)内部。功率管(MOSFET)栅极节点的环路滤波电容会明显地影响单粒子瞬态脉冲的幅度，也会轻微地影响单粒子瞬态脉冲的宽度。误差放大器内部关键节点的器件尺寸会影响稳压器输出的单粒子瞬态脉冲的幅度和宽度。通过增加功率管(MOSFET)栅极节点电容和调整误差放大器内部相关节点器件尺寸的方法对LDO进行了SET加固设计。电路仿真和重离子实验结果表明这种加固方法能够有效地降低LDO输出的单粒子瞬态脉冲的幅度和宽度。
随着集成电路特征尺寸的不断缩减，CMOS集成电路的单粒子效应问题越来越严重。为了提高低压差线性稳压器(LDO)的单粒子瞬态(SET)效应加固效果，该文通过SPICE电路仿真和重离子实验研究了一种28 nm CMOS工艺LDO的SET失效机制，并研究了关键器件尺寸大小对SET脉冲的影响，提出一种有效的LDO加固方法。SPICE电路仿真发现这种LDO的敏感节点主要位于误差放大器(EA)内部。功率管(MOSFET)栅极节点的环路滤波电容会明显地影响单粒子瞬态脉冲的幅度，也会轻微地影响单粒子瞬态脉冲的宽度。误差放大器内部关键节点的器件尺寸会影响稳压器输出的单粒子瞬态脉冲的幅度和宽度。通过增加功率管(MOSFET)栅极节点电容和调整误差放大器内部相关节点器件尺寸的方法对LDO进行了SET加固设计。电路仿真和重离子实验结果表明这种加固方法能够有效地降低LDO输出的单粒子瞬态脉冲的幅度和宽度。
2023,
45(11):
3973-3983. doi: 10.11999/JEIT230562
摘要:
该文提出一种基于多路去耦网络解耦宽带天线阵的设计方法。首先，通过节点分析法推导通用多路去耦网络模型的解耦条件和阻抗匹配条件，形成一般设计方法。其次，将多路去耦网络应用至2元对跖Vivaldi天线阵，以低频段为设计基点，依据设计原理得到多路去耦网络的结构参数，增加渐变传输线拓展去耦带宽。实测结果表明，阵列在3.34～13 GHz(3.89:1)的工作频段内隔离度均高于20 dB，与耦合阵相比隔离带宽增加58.8%，且辐射性能得到改善。最后，在1维8元阵列中验证多路去耦网络的有效性，阵列在带内隔离度均高于20 dB，且在±60°的扫描范围内具有良好的辐射性能。所设计的多路去耦网络具有通用性、结构简单和宽带解耦能力，在相控阵天线和大规模通信系统中具有极大的应用前景。
该文提出一种基于多路去耦网络解耦宽带天线阵的设计方法。首先，通过节点分析法推导通用多路去耦网络模型的解耦条件和阻抗匹配条件，形成一般设计方法。其次，将多路去耦网络应用至2元对跖Vivaldi天线阵，以低频段为设计基点，依据设计原理得到多路去耦网络的结构参数，增加渐变传输线拓展去耦带宽。实测结果表明，阵列在3.34～13 GHz(3.89:1)的工作频段内隔离度均高于20 dB，与耦合阵相比隔离带宽增加58.8%，且辐射性能得到改善。最后，在1维8元阵列中验证多路去耦网络的有效性，阵列在带内隔离度均高于20 dB，且在±60°的扫描范围内具有良好的辐射性能。所设计的多路去耦网络具有通用性、结构简单和宽带解耦能力，在相控阵天线和大规模通信系统中具有极大的应用前景。
2023,
45(11):
3984-3990. doi: 10.11999/JEIT230668
摘要:
该文在体硅CMOS工艺下设计了一种16 Gbit/s并转串/串转并接口(SerDes)芯片，该SerDes由4个通道(lanes)和2个锁相环(PLLs)组成。在接收器模拟前端(AFE)采用负阻抗结构连续时间线性均衡器(CTLE)，得到22.9 dB高频增益，利用5-tap判决反馈均衡器(DFE)进一步对信号码间干扰(ISI)做补偿，其中tap1做展开预计算处理，得到充足的时序约束条件。采用最小均方根(LMS)算法自适应控制CTLE和DFE的补偿系数来对抗工艺、电源和温度波动带来的影响。测试结果表明，芯片工作在16 Gbit/s时，总功耗为615 mW。发射器输出信号眼高为143 mV，眼宽43.8 ps(0.7UI)，接收器抖动容忍指标在各频点均满足PCIe4.0协议要求，工作温度覆盖–55°C～125°C，电源电压覆盖0.9 V±10%，误码率小于1E-12。
该文在体硅CMOS工艺下设计了一种16 Gbit/s并转串/串转并接口(SerDes)芯片，该SerDes由4个通道(lanes)和2个锁相环(PLLs)组成。在接收器模拟前端(AFE)采用负阻抗结构连续时间线性均衡器(CTLE)，得到22.9 dB高频增益，利用5-tap判决反馈均衡器(DFE)进一步对信号码间干扰(ISI)做补偿，其中tap1做展开预计算处理，得到充足的时序约束条件。采用最小均方根(LMS)算法自适应控制CTLE和DFE的补偿系数来对抗工艺、电源和温度波动带来的影响。测试结果表明，芯片工作在16 Gbit/s时，总功耗为615 mW。发射器输出信号眼高为143 mV，眼宽43.8 ps(0.7UI)，接收器抖动容忍指标在各频点均满足PCIe4.0协议要求，工作温度覆盖–55°C～125°C，电源电压覆盖0.9 V±10%，误码率小于1E-12。
2023,
45(11):
3991-4002. doi: 10.11999/JEIT230593
摘要:
为了应对宽带阻塞式干扰，通信干扰对消系统通常应用基于子带划分的干扰对消技术来提升宽带干扰抑制能力，同时为了兼顾通信性能，将子带信号重构恢复为通信信号，保障通信质量。该文采用模拟电路与数字处理相结合的方式，搭建了子带划分与信号重构框架，通过模拟滤波器实现第1级宽滤波，减小信号处理带宽，利用数字滤波器完成第2级窄滤波，进一步提高信号信噪比。针对通信信号在子带划分过程中，存在跨子带重构失真的问题，建立了子带划分与信号重构系统时频域模型，分析子带间幅相不一致对信号重构的影响。为了解决重构信号的幅相不一致问题，提出了相位校准方法与滤波器幅频优化方法，从幅度和相位两方面同时保证跨子带信号的近似无失真重构。仿真与实验结果表明，该文所设计的滤波器幅频响应具有良好的重构精度，并且解决了跨子带信号重构的相位失真问题，有效降低了重构通信信号的误码率。
为了应对宽带阻塞式干扰，通信干扰对消系统通常应用基于子带划分的干扰对消技术来提升宽带干扰抑制能力，同时为了兼顾通信性能，将子带信号重构恢复为通信信号，保障通信质量。该文采用模拟电路与数字处理相结合的方式，搭建了子带划分与信号重构框架，通过模拟滤波器实现第1级宽滤波，减小信号处理带宽，利用数字滤波器完成第2级窄滤波，进一步提高信号信噪比。针对通信信号在子带划分过程中，存在跨子带重构失真的问题，建立了子带划分与信号重构系统时频域模型，分析子带间幅相不一致对信号重构的影响。为了解决重构信号的幅相不一致问题，提出了相位校准方法与滤波器幅频优化方法，从幅度和相位两方面同时保证跨子带信号的近似无失真重构。仿真与实验结果表明，该文所设计的滤波器幅频响应具有良好的重构精度，并且解决了跨子带信号重构的相位失真问题，有效降低了重构通信信号的误码率。
2023,
45(11):
4003-4015. doi: 10.11999/JEIT230783
摘要:
自动调制分类(AMC)在频谱监测和认知无线电中具有重要意义。近年来，Chirp扩频通信(CSS)由于其良好的抗干扰能力和稳健性得到了较大发展，但是对CSS信号的AMC方法却鲜有研究。针对这种情况，该文提出了一种基于多特征融合(MFF)的CSS信号调制分类方法，利用频谱和时频图特征融合学习并引入注意力模块来实现CSS信号调制识别。对11类CSS信号调制样式的仿真实验结果表明，该方法有优越的识别性能。
自动调制分类(AMC)在频谱监测和认知无线电中具有重要意义。近年来，Chirp扩频通信(CSS)由于其良好的抗干扰能力和稳健性得到了较大发展，但是对CSS信号的AMC方法却鲜有研究。针对这种情况，该文提出了一种基于多特征融合(MFF)的CSS信号调制分类方法，利用频谱和时频图特征融合学习并引入注意力模块来实现CSS信号调制识别。对11类CSS信号调制样式的仿真实验结果表明，该方法有优越的识别性能。
2023,
45(11):
4016-4025. doi: 10.11999/JEIT230799
摘要:
为提高卫星通信系统的和速率，该文研究了非对称成对载波多址接入(APCMA)系统下行链路的功率分配问题。以最大化系统和速率为目标，在总功率和满足各用户最低服务质量的约束下，通过凸优化的方法，得到了最优功率分配方案，并给出了两种次优功率分配方案。该文以正交多址接入(OMA)中的经典算法作为对比，仿真结果表明，所提功率方案能够最大化和速率，展示了APCMA系统相比OMA系统在频谱效率方面有更优性能。
为提高卫星通信系统的和速率，该文研究了非对称成对载波多址接入(APCMA)系统下行链路的功率分配问题。以最大化系统和速率为目标，在总功率和满足各用户最低服务质量的约束下，通过凸优化的方法，得到了最优功率分配方案，并给出了两种次优功率分配方案。该文以正交多址接入(OMA)中的经典算法作为对比，仿真结果表明，所提功率方案能够最大化和速率，展示了APCMA系统相比OMA系统在频谱效率方面有更优性能。
2023,
45(11):
4026-4032. doi: 10.11999/JEIT230807
摘要:
波形设计是实现通信感知一体化关键技术之一，有利于缓解频谱竞争压力、减少资源浪费。该文提出一种在车对万物互联(V2X)场景下基于IEEE 802.11ad无线局域网波形的测速算法。首先基于物理层帧结构中前导良好的目标感知特性对接收多帧信号的前导做不同移位的相关运算，将多普勒频偏估计转换为线性回归斜率估计得到多普勒估计值用以测速；其次提出相位补偿方案，解决由相位模糊导致的测速范围受限问题。仿真结果表明，在单目标视距场景下所提算法可实现厘米级测速精度，且相较于目前同类型算法具有更低测速误差。
波形设计是实现通信感知一体化关键技术之一，有利于缓解频谱竞争压力、减少资源浪费。该文提出一种在车对万物互联(V2X)场景下基于IEEE 802.11ad无线局域网波形的测速算法。首先基于物理层帧结构中前导良好的目标感知特性对接收多帧信号的前导做不同移位的相关运算，将多普勒频偏估计转换为线性回归斜率估计得到多普勒估计值用以测速；其次提出相位补偿方案，解决由相位模糊导致的测速范围受限问题。仿真结果表明，在单目标视距场景下所提算法可实现厘米级测速精度，且相较于目前同类型算法具有更低测速误差。
2023,
45(11):
4033-4040. doi: 10.11999/JEIT230870
摘要:
在快速变化的干扰环境下，无线通信系统传输可靠性会受到很大影响。为提升快速时变干扰环境下无线通信系统传输的可靠性，该文提出一种基于干扰观测的无线通信系统抗干扰功率控制算法。该算法首先将受到干扰影响的无线通信系统建模为广义稳定性控制系统，并采用干扰观测器生成系统状态受干扰影响的估计值。然后通过利用估计值来预测未来的跟踪误差和稳态的控制输入，优化系统的控制策略以实现对干扰环境的自适应调整。最后仿真结果表明，与传统方法相比，所提算法能够快速响应干扰变化，显著提高系统在快速时变恶意干扰下传输的可靠性，提高了系统对干扰环境的适应能力。
在快速变化的干扰环境下，无线通信系统传输可靠性会受到很大影响。为提升快速时变干扰环境下无线通信系统传输的可靠性，该文提出一种基于干扰观测的无线通信系统抗干扰功率控制算法。该算法首先将受到干扰影响的无线通信系统建模为广义稳定性控制系统，并采用干扰观测器生成系统状态受干扰影响的估计值。然后通过利用估计值来预测未来的跟踪误差和稳态的控制输入，优化系统的控制策略以实现对干扰环境的自适应调整。最后仿真结果表明，与传统方法相比，所提算法能够快速响应干扰变化，显著提高系统在快速时变恶意干扰下传输的可靠性，提高了系统对干扰环境的适应能力。
2023,
45(11):
4041-4049. doi: 10.11999/JEIT230802
摘要:
针对无线自组网遭受强电磁干扰造成节点间感知到的可用信道存在差异且组网困难的问题，该文提出一种基于分层虚拟簇的多信道组网方法，以实现网络可靠性提升与干扰控制。首先，基于各相邻节点感知到的公共信道邻居比信息构建相似度指标，并基于该指标对网络模块度函数进行改进，形成以网络模块度最大的分簇网络；其次，通过先控制再连通的方式选举簇头节点和网关节点，并采用生成树方法构建基于R-跳连通控制集(CDS)的虚拟骨干网链路为簇间节点提供路由转发服务；最后，提出受限图着色方法对簇内与簇间信道进行分配，以减小簇内与簇间通信存在的同频干扰。仿真结果表明，所提算法构建的分簇网络模块度更高，且在平均簇规模和干扰控制等方面能够取得更优的性能。
针对无线自组网遭受强电磁干扰造成节点间感知到的可用信道存在差异且组网困难的问题，该文提出一种基于分层虚拟簇的多信道组网方法，以实现网络可靠性提升与干扰控制。首先，基于各相邻节点感知到的公共信道邻居比信息构建相似度指标，并基于该指标对网络模块度函数进行改进，形成以网络模块度最大的分簇网络；其次，通过先控制再连通的方式选举簇头节点和网关节点，并采用生成树方法构建基于R-跳连通控制集(CDS)的虚拟骨干网链路为簇间节点提供路由转发服务；最后，提出受限图着色方法对簇内与簇间信道进行分配，以减小簇内与簇间通信存在的同频干扰。仿真结果表明，所提算法构建的分簇网络模块度更高，且在平均簇规模和干扰控制等方面能够取得更优的性能。
2023,
45(11):
4050-4059. doi: 10.11999/JEIT230810
摘要:
空天威胁目标通常距离成像系统较远，导致其在图像中信噪比低、尺寸小，即呈现为弱小目标。由于系统分辨率限制，当目标以密集目标群出现时，往往在图像中形成未分辨目标簇，对目标发现、跟踪、识别等带来挑战。阵列相机可以提供多个视角的互补观测信息，采用融合阵列相机图像的超分辨技术，可有效提升弱小目标分辨能力，为分辨密集多目标提供技术途径。该文分析了空间邻近目标与阵列相机之间的几何关系，并提出一种基于阵列相机图像稀疏重建的邻近目标超分辨率方法。利用空间邻近目标在像平面上稀疏性先验假设和阵列相机多视图之间关于目标的投影约束，仿真实验结果表明所提方法能够有效分辨空间邻近目标，实现对空间邻近目标位置和数量的准确估计。
空天威胁目标通常距离成像系统较远，导致其在图像中信噪比低、尺寸小，即呈现为弱小目标。由于系统分辨率限制，当目标以密集目标群出现时，往往在图像中形成未分辨目标簇，对目标发现、跟踪、识别等带来挑战。阵列相机可以提供多个视角的互补观测信息，采用融合阵列相机图像的超分辨技术，可有效提升弱小目标分辨能力，为分辨密集多目标提供技术途径。该文分析了空间邻近目标与阵列相机之间的几何关系，并提出一种基于阵列相机图像稀疏重建的邻近目标超分辨率方法。利用空间邻近目标在像平面上稀疏性先验假设和阵列相机多视图之间关于目标的投影约束，仿真实验结果表明所提方法能够有效分辨空间邻近目标，实现对空间邻近目标位置和数量的准确估计。
2023,
45(11):
4060-4071. doi: 10.11999/JEIT230842
摘要:
星间链路(ISL)是我国北斗三号克服区域布站、实现高精度服务的关键，其天线相位中心偏差(PCO)在设备出厂时会依据质量、设计姿态进行地面标定，但在卫星发射、入轨及在轨阶段，燃料消耗、天线展开姿态等均会引起卫星质量与姿态的变化，这将导致在轨的PCO与地面标定值不一致 ，该变化量会作为误差引入到测量值，进而影响卫星轨道确定精度。因此，该文研究了在轨卫星的星间链路天线相位中心偏差标定方法，联合星间、星地观测，建立了基于整网估计的星间链路天线相位中心偏差在轨估计方法，并利用两周的实测数据进行对北斗三号所有中轨卫星(MEO)进行验证，同时结合卫星生产商、轨道面进行在轨特性的详细分析，最后验证了其对轨道确定精度的影响。结果表明，该文方法可有效估计在轨卫星星间链路天线相位中心偏差，并发现，卫星在轨后大部分卫星的星间链路天线相位中心偏差基本与地面一致，但C36, C37, C41, C42卫星在Z方向与地面标定值存在15 cm左右的偏差，C25, C26, C43, C44在Y轴上存在符号相反的现象，且数值上有10 cm左右的偏差，C25, C26卫星在Z方向上存在近30 cm的偏差，正确标定在轨卫星星间链路天线相位中心偏差后，相比地面标定产品，轨道精度可提升15%。
星间链路(ISL)是我国北斗三号克服区域布站、实现高精度服务的关键，其天线相位中心偏差(PCO)在设备出厂时会依据质量、设计姿态进行地面标定，但在卫星发射、入轨及在轨阶段，燃料消耗、天线展开姿态等均会引起卫星质量与姿态的变化，这将导致在轨的PCO与地面标定值不一致 ，该变化量会作为误差引入到测量值，进而影响卫星轨道确定精度。因此，该文研究了在轨卫星的星间链路天线相位中心偏差标定方法，联合星间、星地观测，建立了基于整网估计的星间链路天线相位中心偏差在轨估计方法，并利用两周的实测数据进行对北斗三号所有中轨卫星(MEO)进行验证，同时结合卫星生产商、轨道面进行在轨特性的详细分析，最后验证了其对轨道确定精度的影响。结果表明，该文方法可有效估计在轨卫星星间链路天线相位中心偏差，并发现，卫星在轨后大部分卫星的星间链路天线相位中心偏差基本与地面一致，但C36, C37, C41, C42卫星在Z方向与地面标定值存在15 cm左右的偏差，C25, C26, C43, C44在Y轴上存在符号相反的现象，且数值上有10 cm左右的偏差，C25, C26卫星在Z方向上存在近30 cm的偏差，正确标定在轨卫星星间链路天线相位中心偏差后，相比地面标定产品，轨道精度可提升15%。
2023,
45(11):
4072-4082. doi: 10.11999/JEIT230848
摘要:
电磁空间对抗通常被建模为零和博弈，但是当作战环境变化时零和博弈双方需要适应新的未知任务，人工设定的博弈规则不再适用。为了避免人为设计显式博弈策略，该文提出一种基于种群的多智能体电磁对抗方法(PMAEC)，以实现在未知博弈范式下的通用电磁对抗策略自动生成。首先，基于模拟电磁博弈对抗环境的多智能体对抗平台(MaCA)，采用元博弈框架建立电磁对抗策略种群优化问题模型，并将其分解为内部和外部优化目标。其次，结合元学习技术，通过自动课程学习(ACL)优化元求解器模型。最后，通过迭代更新最佳响应策略，扩充并强化策略种群以适应不同难度的博弈挑战。在MaCA平台上的仿真结果表明，所提的PMAEC方法能使元博弈收敛到更低的可利用度，并且训练得到的电磁对抗策略种群可以泛化到更复杂的零和博弈，实现模型从简单场景训练扩展至复杂电磁对抗环境的大规模博弈，增强电磁对抗策略的泛化能力。
电磁空间对抗通常被建模为零和博弈，但是当作战环境变化时零和博弈双方需要适应新的未知任务，人工设定的博弈规则不再适用。为了避免人为设计显式博弈策略，该文提出一种基于种群的多智能体电磁对抗方法(PMAEC)，以实现在未知博弈范式下的通用电磁对抗策略自动生成。首先，基于模拟电磁博弈对抗环境的多智能体对抗平台(MaCA)，采用元博弈框架建立电磁对抗策略种群优化问题模型，并将其分解为内部和外部优化目标。其次，结合元学习技术，通过自动课程学习(ACL)优化元求解器模型。最后，通过迭代更新最佳响应策略，扩充并强化策略种群以适应不同难度的博弈挑战。在MaCA平台上的仿真结果表明，所提的PMAEC方法能使元博弈收敛到更低的可利用度，并且训练得到的电磁对抗策略种群可以泛化到更复杂的零和博弈，实现模型从简单场景训练扩展至复杂电磁对抗环境的大规模博弈，增强电磁对抗策略的泛化能力。
2023,
45(11):
4083-4091. doi: 10.11999/JEIT230687
摘要:
近年来，无人机(UAVs)等低慢小目标对现有低空空域管理带来了巨大挑战。这类目标由于其飞行高度低、飞行速度慢及雷达散射截面(RCS)面积小，导致其回波信噪比(SNR)低，传统基于目标多普勒信息的检测估计方法检测概率低，参数估计不准确。对于无人机类低慢小目标的检测估计，除了可以利用目标径向运动产生的多普勒信息外，还可以利用目标微动部件产生的微多普勒信息，通过有效聚集因微动而分散在多个多普勒单元格内的能量，可望实现目标信噪比的提升。该文针对旋翼类低慢小目标，充分挖掘目标回波中蕴含的多普勒信息和微多普勒信息，在随机集框架下对旋翼无人机目标的多普勒和微多普勒信息进行联合建模，提出一种基于(CBMeMBer)滤波器的多普勒和微多普勒联合检测估计方法，利用贝叶斯估计实现了目标多普勒信息和微多普勒信息的有效积累和融合利用，可以提高雷达低慢小目标的检测估计性能。仿真试验表明，该方法可实现对旋翼无人机目标的稳定检测与状态估计，相比于仅利用目标多普勒信息的传统检测方法，检测灵敏度提高了2 dB。
近年来，无人机(UAVs)等低慢小目标对现有低空空域管理带来了巨大挑战。这类目标由于其飞行高度低、飞行速度慢及雷达散射截面(RCS)面积小，导致其回波信噪比(SNR)低，传统基于目标多普勒信息的检测估计方法检测概率低，参数估计不准确。对于无人机类低慢小目标的检测估计，除了可以利用目标径向运动产生的多普勒信息外，还可以利用目标微动部件产生的微多普勒信息，通过有效聚集因微动而分散在多个多普勒单元格内的能量，可望实现目标信噪比的提升。该文针对旋翼类低慢小目标，充分挖掘目标回波中蕴含的多普勒信息和微多普勒信息，在随机集框架下对旋翼无人机目标的多普勒和微多普勒信息进行联合建模，提出一种基于(CBMeMBer)滤波器的多普勒和微多普勒联合检测估计方法，利用贝叶斯估计实现了目标多普勒信息和微多普勒信息的有效积累和融合利用，可以提高雷达低慢小目标的检测估计性能。仿真试验表明，该方法可实现对旋翼无人机目标的稳定检测与状态估计，相比于仅利用目标多普勒信息的传统检测方法，检测灵敏度提高了2 dB。
2023,
45(11):
4092-4100. doi: 10.11999/JEIT230572
摘要:
为提升跳频(FH)通信系统信息传输的可靠性和抗干扰能力，该文基于新型Polar编码的慢跳频抗干扰通信系统模型，提出一种适应强干扰环境的Polar编码构造优化方法。首先，面向包含常态和干扰态的混合信道设计多目标强化学习算法，然后优化编码过程中的信息位比特信道序列，提升码字的纠错性能，并通过初始化预处理和理论计算回报值降低算法执行复杂度。仿真结果表明，在包含强干扰的混合信道条件下，所提编码优化方法的全局误码性能优于传统编码构造方法，相比于第5代移动通信系统(5G)第3代合作伙伴计划(3GPP) 标准方案全局编码增益达0.5 dB，有效改善Polar编码跳频通信高可靠抗干扰传输性能。
为提升跳频(FH)通信系统信息传输的可靠性和抗干扰能力，该文基于新型Polar编码的慢跳频抗干扰通信系统模型，提出一种适应强干扰环境的Polar编码构造优化方法。首先，面向包含常态和干扰态的混合信道设计多目标强化学习算法，然后优化编码过程中的信息位比特信道序列，提升码字的纠错性能，并通过初始化预处理和理论计算回报值降低算法执行复杂度。仿真结果表明，在包含强干扰的混合信道条件下，所提编码优化方法的全局误码性能优于传统编码构造方法，相比于第5代移动通信系统(5G)第3代合作伙伴计划(3GPP) 标准方案全局编码增益达0.5 dB，有效改善Polar编码跳频通信高可靠抗干扰传输性能。
2023,
45(11):
4101-4109. doi: 10.11999/JEIT221284
摘要:
针对开集条件下多视高分辨距离像(HRRP)目标识别问题，提出了一种基于联合动态稀疏表示(JDSR)的开集识别方法。该方法利用JDSR求解多视HRRP在过完备字典上的重构误差，采用极值理论(EVT)对匹配和非匹配类别的重构误差拖尾进行建模，将开集识别问题转化为假设检验问题求解。识别时利用重构误差确定候选类，根据尾部分布的置信度获得匹配类与非匹配类得分，并将两者的加权和作为类别判据最终确定库外目标或候选类。该方法能够有效利用多视观测来自相同目标的先验信息提高开集条件下的HRRP识别性能，并且对多视数据不同的获取场景具有良好的适应性。利用从MSTAR反演生成的HRRP数据对算法进行了测试，结果表明所提方法的性能优于主流开集识别方法。
针对开集条件下多视高分辨距离像(HRRP)目标识别问题，提出了一种基于联合动态稀疏表示(JDSR)的开集识别方法。该方法利用JDSR求解多视HRRP在过完备字典上的重构误差，采用极值理论(EVT)对匹配和非匹配类别的重构误差拖尾进行建模，将开集识别问题转化为假设检验问题求解。识别时利用重构误差确定候选类，根据尾部分布的置信度获得匹配类与非匹配类得分，并将两者的加权和作为类别判据最终确定库外目标或候选类。该方法能够有效利用多视观测来自相同目标的先验信息提高开集条件下的HRRP识别性能，并且对多视数据不同的获取场景具有良好的适应性。利用从MSTAR反演生成的HRRP数据对算法进行了测试，结果表明所提方法的性能优于主流开集识别方法。
2023,
45(11):
4110-4116. doi: 10.11999/JEIT230813
摘要:
在雷达、车载等动态协同组网系统中，高精度时间同步是该系统正常工作的基本条件。但是在动态组网系统或者低截获场景下，时间比对信号强度弱，并处于动态场景，此时时间同步系统鲁棒性差、同步精度低。因此，需要提高时间同步系统在复杂的动态组网系统下的时间同步精度。调制解调器是双向时间比对系统的核心设备，而跟踪环路是其中关键部分。复杂场景下跟踪环路很容易失锁，为了提高跟踪环路鲁棒性，该文提出一种基于自适应卡尔曼滤波(AKF)的跟踪算法。该算法引入自适应因子来调节系统噪声协方差矩阵，从而应对外部变化的输入信号。试验结果显示，与传统锁相环跟踪环路(PLL)和标准卡尔曼滤波跟踪环相比，在弱信号和动态信号同时存在时该算法跟踪鲁棒性和自适应性更好，并且算法复杂度不高。该算法对于提高动态协同组网系统的时间同步精度具有重要意义。
在雷达、车载等动态协同组网系统中，高精度时间同步是该系统正常工作的基本条件。但是在动态组网系统或者低截获场景下，时间比对信号强度弱，并处于动态场景，此时时间同步系统鲁棒性差、同步精度低。因此，需要提高时间同步系统在复杂的动态组网系统下的时间同步精度。调制解调器是双向时间比对系统的核心设备，而跟踪环路是其中关键部分。复杂场景下跟踪环路很容易失锁，为了提高跟踪环路鲁棒性，该文提出一种基于自适应卡尔曼滤波(AKF)的跟踪算法。该算法引入自适应因子来调节系统噪声协方差矩阵，从而应对外部变化的输入信号。试验结果显示，与传统锁相环跟踪环路(PLL)和标准卡尔曼滤波跟踪环相比，在弱信号和动态信号同时存在时该算法跟踪鲁棒性和自适应性更好，并且算法复杂度不高。该算法对于提高动态协同组网系统的时间同步精度具有重要意义。
2023,
45(11):
4117-4126. doi: 10.11999/JEIT230844
摘要:
全球导航卫星系统(GNSS)时频传递因其较好的不确定度水平及使用方便等特点，已成为当前应用最广泛的时频传递技术。时频传递链校准是时间和频率量值精准传递的关键与必要前提，传统的分步绝对校准技术存在校准步骤复杂、不确定度来源多的问题。针对上述问题，该文提出一种整体绝对校准技术，对北斗卫星导航系统(BDS)时频传递链进行整体一次性校准，测量不确定度更低。通过对时频传递链整体绝对校准方法的研究，搭建了时频传递链整体绝对校准系统及实验平台，实现了北斗时频传递链的整体与分步绝对校准实验，评估其不确定度。结果表明两种方法校准结果一致性优于1.76 ns，合成标准不确定度分别评定为0.80 ns与1.00 ns。
全球导航卫星系统(GNSS)时频传递因其较好的不确定度水平及使用方便等特点，已成为当前应用最广泛的时频传递技术。时频传递链校准是时间和频率量值精准传递的关键与必要前提，传统的分步绝对校准技术存在校准步骤复杂、不确定度来源多的问题。针对上述问题，该文提出一种整体绝对校准技术，对北斗卫星导航系统(BDS)时频传递链进行整体一次性校准，测量不确定度更低。通过对时频传递链整体绝对校准方法的研究，搭建了时频传递链整体绝对校准系统及实验平台，实现了北斗时频传递链的整体与分步绝对校准实验，评估其不确定度。结果表明两种方法校准结果一致性优于1.76 ns，合成标准不确定度分别评定为0.80 ns与1.00 ns。
2023,
45(11):
4127-4136. doi: 10.11999/JEIT230806
摘要:
铁路时间同步网为铁路各系统提供统一的标准时间量值，其精确、稳定与否对铁路系统安全、高效地运营具有重要影响。根据调研，当前铁路时间同步网的潜在问题有：各时间节点时间溯源参考不一致，且未精确溯源至协调世界时(UTC)；仅设置1处的1级时间节点故障时，2,3级时间节点受其影响大、鲁棒性不足；监测手段仅针对单个节点，缺乏整体层面的自动监测方法。针对以上潜在问题，该文提出可精确溯源至UTC的铁路时间同步网综合原子时标(TE)作为网内统一的时间溯源参考的解决方案，通过建立铁路时间同步网仿真模型，研究设计了综合原子时标算法，基于1级、2级时间节点19台母钟设备形成了TE。仿真结果表明，TE与UTC的溯源偏差可优于30 ns，溯源不确定度可优于5 ns；1级时间节点正常运行时，引入TE可提高2级时间节点时间稳定度约40%；1级时间节点故障时，TE仍可持续生成并作为网内统一的时间溯源参考， TE同步架构下的2级时间节点与传统同步架构下的相比，其频率、时间稳定度提高约35%；基于TE可获取任意节点间时差，通过分析时差数据，可实现整体层面的所有时间节点、精确时间协议(PTP)链路通断的自动监测。
铁路时间同步网为铁路各系统提供统一的标准时间量值，其精确、稳定与否对铁路系统安全、高效地运营具有重要影响。根据调研，当前铁路时间同步网的潜在问题有：各时间节点时间溯源参考不一致，且未精确溯源至协调世界时(UTC)；仅设置1处的1级时间节点故障时，2,3级时间节点受其影响大、鲁棒性不足；监测手段仅针对单个节点，缺乏整体层面的自动监测方法。针对以上潜在问题，该文提出可精确溯源至UTC的铁路时间同步网综合原子时标(TE)作为网内统一的时间溯源参考的解决方案，通过建立铁路时间同步网仿真模型，研究设计了综合原子时标算法，基于1级、2级时间节点19台母钟设备形成了TE。仿真结果表明，TE与UTC的溯源偏差可优于30 ns，溯源不确定度可优于5 ns；1级时间节点正常运行时，引入TE可提高2级时间节点时间稳定度约40%；1级时间节点故障时，TE仍可持续生成并作为网内统一的时间溯源参考， TE同步架构下的2级时间节点与传统同步架构下的相比，其频率、时间稳定度提高约35%；基于TE可获取任意节点间时差，通过分析时差数据，可实现整体层面的所有时间节点、精确时间协议(PTP)链路通断的自动监测。
2023,
45(11):
4137-4149. doi: 10.11999/JEIT230837
摘要:
针对进入GPS接收机的高隐蔽性同步式欺骗信号和真实卫星信号的区分问题，该文提出一种基于多重基带特征进行聚类分析的欺骗干扰识别方法。首先总结了抗同步式欺骗的基带处理流程；然后在欺骗检测和估计的基础上，在信号处理层级提取各个信号分量的伪码和载波多普勒频率一致性(CCDC)特征、相对幅度关系特征、载噪比异动特征，在信息解算层级提取各信号分量和其他信号分量相组合进行解算对应的伪距残差特征，以及欺骗入侵前后的钟差异动特征；最后利用K均值聚类(K-means)算法对不同特征进行综合，从而完成对欺骗信号的识别。基于射频(RF)信号采集回放的半实物实验及反欺骗软件接收机的处理结果表明，该方法能够及时而准确地识别同步式欺骗和真实信号，从而指导接收机抑制欺骗干扰并恢复正确的解算结果。
针对进入GPS接收机的高隐蔽性同步式欺骗信号和真实卫星信号的区分问题，该文提出一种基于多重基带特征进行聚类分析的欺骗干扰识别方法。首先总结了抗同步式欺骗的基带处理流程；然后在欺骗检测和估计的基础上，在信号处理层级提取各个信号分量的伪码和载波多普勒频率一致性(CCDC)特征、相对幅度关系特征、载噪比异动特征，在信息解算层级提取各信号分量和其他信号分量相组合进行解算对应的伪距残差特征，以及欺骗入侵前后的钟差异动特征；最后利用K均值聚类(K-means)算法对不同特征进行综合，从而完成对欺骗信号的识别。基于射频(RF)信号采集回放的半实物实验及反欺骗软件接收机的处理结果表明，该方法能够及时而准确地识别同步式欺骗和真实信号，从而指导接收机抑制欺骗干扰并恢复正确的解算结果。
2023,
45(11):
4150-4160. doi: 10.11999/JEIT230834
摘要:
针对复杂城市环境下，全球导航卫星系统(GNSS)信号出现频繁短暂失锁或拒止时，对GNSS/捷联惯性导航系统(SINS)组合导航系统的导航精度和鲁棒性影响较大问题，该文提出一种改进的因子图滤波方法。首先使用GNSS接收机内部参数构建信号误差鉴别函数，能实时估计出信号受多径干扰、遮挡等情况下的信号测量性能；同时利用载体运动约束条件构造零速修正因子，对GNSS拒止情况下的系统状态进行更新，避免系统导航性能极速下降。实验结果表明，改进的因子图方法相比经典因子图方法，在城市复杂环境下能提高定位精度63.50%和测速精度42.26%，同时也具有更低的存储量和计算复杂度，特别适用于城市车辆辅助驾驶导航设备中，对导航精度、硬件资源和实时性约束强的场景。
针对复杂城市环境下，全球导航卫星系统(GNSS)信号出现频繁短暂失锁或拒止时，对GNSS/捷联惯性导航系统(SINS)组合导航系统的导航精度和鲁棒性影响较大问题，该文提出一种改进的因子图滤波方法。首先使用GNSS接收机内部参数构建信号误差鉴别函数，能实时估计出信号受多径干扰、遮挡等情况下的信号测量性能；同时利用载体运动约束条件构造零速修正因子，对GNSS拒止情况下的系统状态进行更新，避免系统导航性能极速下降。实验结果表明，改进的因子图方法相比经典因子图方法，在城市复杂环境下能提高定位精度63.50%和测速精度42.26%，同时也具有更低的存储量和计算复杂度，特别适用于城市车辆辅助驾驶导航设备中，对导航精度、硬件资源和实时性约束强的场景。
2023,
45(11):
4161-4169. doi: 10.11999/JEIT230796
摘要:
该文研究使用少量监测样本数据构建动态电磁环境频谱地图。首先，将动态电磁环境的时变频谱地图建模为3维频谱张量，通过张量Tucker分解提取出具有物理意义的核张量和因子矩阵等低维特征。其次，根据频谱张量时域、空域、频域之间的相关性以及监测样本数据的稀疏性，设计一种基于Tucker分解的低秩张量补全模型，将频谱地图构建任务转化为数据缺失的低秩张量补全问题，并提出两种无需先验信息的频谱地图构建算法：高精度频谱地图构建算法和快速频谱地图构建算法。前者采用交替最小二乘法对核张量和因子矩阵交替求解，通过“补全-分解”的迭代过程实现对频谱地图的高精度构建。后者采用序列截断高阶奇异值分解法，对潜在多个低秩近似张量加权平均，该算法具有收敛快速和计算复杂度低的优势，在牺牲少量构建精度的情况下能够快速构建频谱地图。仿真实验结果表明，该文提出的两种算法能够精确构建频谱地图，在构建精度、运行时间消耗和噪声鲁棒性上均优于对比算法。
该文研究使用少量监测样本数据构建动态电磁环境频谱地图。首先，将动态电磁环境的时变频谱地图建模为3维频谱张量，通过张量Tucker分解提取出具有物理意义的核张量和因子矩阵等低维特征。其次，根据频谱张量时域、空域、频域之间的相关性以及监测样本数据的稀疏性，设计一种基于Tucker分解的低秩张量补全模型，将频谱地图构建任务转化为数据缺失的低秩张量补全问题，并提出两种无需先验信息的频谱地图构建算法：高精度频谱地图构建算法和快速频谱地图构建算法。前者采用交替最小二乘法对核张量和因子矩阵交替求解，通过“补全-分解”的迭代过程实现对频谱地图的高精度构建。后者采用序列截断高阶奇异值分解法，对潜在多个低秩近似张量加权平均，该算法具有收敛快速和计算复杂度低的优势，在牺牲少量构建精度的情况下能够快速构建频谱地图。仿真实验结果表明，该文提出的两种算法能够精确构建频谱地图，在构建精度、运行时间消耗和噪声鲁棒性上均优于对比算法。
2023,
45(11):
4170-4178. doi: 10.11999/JEIT230862
摘要:
该文针对高轨空间目标监视问题，研究分布式相参雷达体制的波形设计问题，其核心目标是需要在确保波形良好正交性的前提下兼顾信号的大时宽带宽。该文提出一种引入循环码概念的脉内步进频与相位编码复合调制的波形，首先给出了脉内步进频-相位编码信号的时域表达式，然后推导出其模糊函数和自相关主峰幅度，其次引入循环码概念与设计，最后将脉内步进频-循环相位编码信号与其他信号进行了对比。仿真结果表明，与单调制信号和脉间调制信号相比，脉内步进频-循环相位编码信号具有更好的正交性，同时保证了信号的大带宽，为后续全相参雷达波形设计研究工作提供了较好的理论支撑。
该文针对高轨空间目标监视问题，研究分布式相参雷达体制的波形设计问题，其核心目标是需要在确保波形良好正交性的前提下兼顾信号的大时宽带宽。该文提出一种引入循环码概念的脉内步进频与相位编码复合调制的波形，首先给出了脉内步进频-相位编码信号的时域表达式，然后推导出其模糊函数和自相关主峰幅度，其次引入循环码概念与设计，最后将脉内步进频-循环相位编码信号与其他信号进行了对比。仿真结果表明，与单调制信号和脉间调制信号相比，脉内步进频-循环相位编码信号具有更好的正交性，同时保证了信号的大带宽，为后续全相参雷达波形设计研究工作提供了较好的理论支撑。
2023,
45(11):
4179-4189. doi: 10.11999/JEIT230808
摘要:
超宽带(UWB)技术以其大宽带、低功率、高精度等优点广泛应用于室内定位。然而其本质上是一种通信信号体制，复杂环境下组网困难，所以UWB系统在复杂地下环境中仍有挑战。为此该文在UWB标准信号体制的基础上提出了导航增强型超宽带(Hnav-UWB)，通过优化通信信息的冗余度简化帧结构，同时降低脉冲发送频率增加单个脉冲的能量，采用改进的跳时二进制相移键控(TH-BPSK)调制方式提高了信号的多用户和抗多径能力。另外，该文设计了动态重构节点网络适应复杂环境，该网络没有主从节点之分，通过双向测距获得两两距离，根据多维尺度变换(MDS)算法自建相对位置坐标，根据分布式协作定位(DCL)算法提高精度，最后根据最小二乘(LS)法利用某已知点在地图的位置进行地图匹配。基于自建的脉冲超宽带(IR-UWB)仿真系统试验，结果显示相同条件下Hnav-UWB的误码率比对照组降低10倍，定位精度提升3倍。经1000次蒙特卡罗模拟，动态重构网络匹配准确率达95%。
超宽带(UWB)技术以其大宽带、低功率、高精度等优点广泛应用于室内定位。然而其本质上是一种通信信号体制，复杂环境下组网困难，所以UWB系统在复杂地下环境中仍有挑战。为此该文在UWB标准信号体制的基础上提出了导航增强型超宽带(Hnav-UWB)，通过优化通信信息的冗余度简化帧结构，同时降低脉冲发送频率增加单个脉冲的能量，采用改进的跳时二进制相移键控(TH-BPSK)调制方式提高了信号的多用户和抗多径能力。另外，该文设计了动态重构节点网络适应复杂环境，该网络没有主从节点之分，通过双向测距获得两两距离，根据多维尺度变换(MDS)算法自建相对位置坐标，根据分布式协作定位(DCL)算法提高精度，最后根据最小二乘(LS)法利用某已知点在地图的位置进行地图匹配。基于自建的脉冲超宽带(IR-UWB)仿真系统试验，结果显示相同条件下Hnav-UWB的误码率比对照组降低10倍，定位精度提升3倍。经1000次蒙特卡罗模拟，动态重构网络匹配准确率达95%。
2023,
45(11):
4190-4202. doi: 10.11999/JEIT221301
摘要:
被动声呐通过接收目标自身发出的辐射噪声信号进行目标探测。水声目标识别通过分析水声信号来判别目标个体，是水声工程领域的重点研究方向。深度学习作为近年来各领域的研究热点，其在水声目标识别领域中的应用引起了学者的广泛关注。该文以水声目标识别的步骤框架为切入，介绍了典型深度网络模型；总结出了深度学习在水声目标识别领域中的两大内涵：围绕时频谱、梅尔倒谱系数等特征调研了近几年深度学习作为分类器的关键问题以及研究进展，围绕数据增强、数据降噪等信号处理手段调研了近几年深度学习作为信号处理工具的关键问题以及研究进展；并从数据驱动、特征驱动、模型驱动3个方面对该领域的发展趋势进行展望，旨在推动水声目标识别领域的发展。
被动声呐通过接收目标自身发出的辐射噪声信号进行目标探测。水声目标识别通过分析水声信号来判别目标个体，是水声工程领域的重点研究方向。深度学习作为近年来各领域的研究热点，其在水声目标识别领域中的应用引起了学者的广泛关注。该文以水声目标识别的步骤框架为切入，介绍了典型深度网络模型；总结出了深度学习在水声目标识别领域中的两大内涵：围绕时频谱、梅尔倒谱系数等特征调研了近几年深度学习作为分类器的关键问题以及研究进展，围绕数据增强、数据降噪等信号处理手段调研了近几年深度学习作为信号处理工具的关键问题以及研究进展；并从数据驱动、特征驱动、模型驱动3个方面对该领域的发展趋势进行展望，旨在推动水声目标识别领域的发展。
