Mimo雷達波形的設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種MIMO雷達波形的設(shè)計方法，主要解決用現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計波形多普勒容忍性差的問題。其實現(xiàn)步驟是：固定雷達的一組波形中心頻率順序，并將其初相均設(shè)為0；對頻率間隔初始變量進行搜索，找出滿足發(fā)射能量函數(shù)3dB帶寬等于理想發(fā)射能量函數(shù)3dB帶寬要求的頻率間隔初始值；根據(jù)頻率間隔初始值，設(shè)置各頻率間隔；以頻率間隔、初相為輸入，以發(fā)射能量函數(shù)差值、發(fā)射方向旁瓣增益以及脈沖綜合后信號的旁瓣幅度為輸出，構(gòu)造代價函數(shù)；調(diào)用代價函數(shù)，利用極小極大法進行優(yōu)化，得到滿足要求的頻率間隔和初相；根據(jù)頻率間隔和初相，得到最終的一組信號，完成各波形的設(shè)計。本發(fā)明設(shè)計的波形具有多普勒容忍性好的優(yōu)點，可用于目標探測。
【專利說明】MI MO雷達波形的設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于雷達【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種MIMO雷達波形的設(shè)計方法，可用于目標探測。
【背景技術(shù)】
[0002]多輸入輸出MIMO雷達是一種新興的有源探測技術(shù)。它的輻射天線和接收天線根據(jù)系統(tǒng)要求可以進行靈活布置并且每個輻射單元可以發(fā)射不同的信號波形。發(fā)射波形包括正交波形和互相關(guān)波形，而通常需要的是互相關(guān)波形。MMO雷達可以利用波形分集能力靈活地設(shè)計互相關(guān)波形，使得電磁波的能量聚焦到感興趣的目標上或區(qū)域上，從而有效地利用電磁能量和抑制不必要的雜波干擾。為了更好地設(shè)計互相關(guān)波形，目前的設(shè)計流程主要是:先根據(jù)所需的發(fā)射能量函數(shù)優(yōu)化出信號協(xié)方差矩陣；再根據(jù)這個協(xié)方差矩陣利用相位編碼綜合出所需的恒模信號波形。其公開的現(xiàn)有文獻有以下兩種:
[0003]l、Stoica Petre 和 Li Jian 等人在 “On probing signal design for MIMOradar, IEEE Trans, on Signal Processing, 2007，Vol, 55 (8)，4151-4161 ” 中提出一種有效地半正定規(guī)劃(SDP)算法來設(shè)計信號的協(xié)方差矩陣,然后在“Waveform Synthesis forDiversity-Based Transmit Beampattern Design, IEEE Trans, on Signal Processing, 2008，Vol, 56(6)，2593-2598”中提出了循環(huán)算法，由協(xié)方差矩陣設(shè)計出了恒模的信號矩陣。這種方法合成的發(fā)射能量函數(shù)的峰值旁瓣電平較高，且在陣元較多的情況下，計算復雜度高。
[0004]2、胡亮兵等人在“ΜΙΜ0雷達發(fā)射方向圖匹配和波形優(yōu)化方法，西安電子科技大學學報(自然科學版)，2009，36 (6): 1021-1026”中采用半正定規(guī)劃(SDP)來優(yōu)化發(fā)射信號的協(xié)方差矩陣，然后基于該協(xié)方差矩陣，利用極小極大法通過優(yōu)化波形相位設(shè)計出了連續(xù)相位編碼的恒模發(fā)射信號。這種方法發(fā)射能量函數(shù)的峰值旁瓣電平較低，但同樣存在計算復雜度較高的問題。
[0005]上述兩種方法由于均采用相位編碼而導致其多普勒容忍性較差，特別是當目標速度較大時，目標回波信號的脈沖綜合處理將會嚴重失配，檢測不到目標。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于針對上述已有技術(shù)的不足，提出一種多普勒容忍性較好的MMO雷達波形的設(shè)計方法，以減小目標回波信號的脈沖綜合處理失配程度，實現(xiàn)對目標的準確檢測。
[0007]實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)思路是:利用線性調(diào)頻信號的多普勒容忍性較好的特點，采用基于線性調(diào)頻信號的頻率編碼波形，通過調(diào)整各波形頻率間隔和初始相位，來滿足發(fā)射能量函數(shù)接近理想發(fā)射能量函數(shù)、脈沖綜合圖的低距離旁瓣和發(fā)射方向函數(shù)的低角度旁瓣的要求，其技術(shù)方案包括如下步驟:
[0008](I)設(shè)MMO雷達天線的發(fā)射陣元個數(shù)為N，載頻為&，單個波形的脈沖寬度為Te，N個波形的總帶寬為B，且各單個波形的帶寬Bs相同，固定N個波形中心頻率fk的順序，即^f2〈…<fN_!<fN,且將N個波形的初相％均設(shè)為O，其中k=l, 2，3，…，N ;
[0009](2)定義各波形頻率間隔為Afm=fm+1-fm，設(shè)各波形頻率間隔Afm均等于頻率間隔初始變量△ &，并在O到ITe之間對頻率間隔初始變量△ &進行搜索，找出滿足發(fā)射能量函數(shù)的3dB帶寬等于理想發(fā)射能量函數(shù)的3dB帶寬要求的頻率間隔初值A(chǔ)fc/，其中m=l, 2, 3,…，N-1 ；
[0010](3)在頻率間隔初值Λ f/附近隨機產(chǎn)生N-1個值，分別賦給波形頻率間隔Λ fm，得到第I個信號的中心頻率為f^fcTsmiK Λ fm) /2，第i個信號的中心頻率&為A=U Δ fm,其中i=2, 3,…，N且m=1-l, sum O為求和運算；
[0011](4)根據(jù)頻率間隔Afm、初相％，計算得到單個信號的帶寬Bs=B_sum(A fm)，再由
μ =Bs/Te計算得到調(diào)頻斜率μ，從而得到基帶信號波形Sk為:
[0012]
【權(quán)利要求】
1.一種MIMO雷達波形的設(shè)計方法，包括如下步驟: (1)設(shè)MMO雷達天線的發(fā)射陣元個數(shù)為N，載頻為&，單個波形的脈沖寬度為Te，N個波形的總帶寬為B，且各單個波形的帶寬Bs相同，固定N個波形中心頻率fk的順序，即講2〈...<fN-1<fNJ且將N個波形的初相％均設(shè)為0，其中k=l, 2，3，…，N，N≥8 ; (2)定義各波形頻率間隔為Afm=fm+1-fm，設(shè)各波形頻率間隔Afm均等于頻率間隔初始變量Λ f0,并在O到Ι/Te之間對頻率間隔初始變量Λ f0進行搜索，找出滿足發(fā)射能量函數(shù)的3dB帶寬等于理想發(fā)射能量函數(shù)的3dB帶寬要求的頻率間隔初值A(chǔ)f/，其中m=l, 2, 3,…，N-1 ； (3)在頻率間隔初值A(chǔ)fc/附近隨機產(chǎn)生N-1個值，分別賦給波形頻率間隔Afm，得到第I個信號的中心頻率為^ftl-Sum(Afm)/2，第i個信號的中心頻率&為A=U Afm，其中i=2, 3,…，N且m=1-l, sum O為求和運算； (4)根據(jù)頻率間隔Afm、初相％，計算得到單個信號的帶寬BS=B-Sum(Afm),再由μ =Bs/Te計算得到調(diào)頻斜率μ，從而得到基帶信號波形Sk為:Sk = exp(j2M(fk -/0)? + ]πμ(?-yy+ jpk) k = IX…’N， 其中，j為單位虛常數(shù)，t為O~Te內(nèi)的L點采樣時間，exp O為以自然常數(shù)e為底的指數(shù)函數(shù)； (5)根據(jù)基帶波形信號％，得到信號協(xié)方差矩陣1?=%11，其中信號波形矩陣8=[81;82;...；Sk； *..; Sn],進而得到發(fā)射能量函數(shù)為:
P ( Θ ) =a ( Θ ) 1Ra ( Θ ) *, 其中 Θ 為-90 ~90 度范圍的角度，a(0)=exp(j2Ji ((l:N)T-(N+l)/2)*d.*G/c*sin(0))為角度Θ的導向矢量，d為陣元半徑，c為光速，中心頻率向量0-為共軛運算，Ot為轉(zhuǎn)置運算，.*為點乘運算符； (6)設(shè)發(fā)射波束主瓣方向為β，根據(jù)信號協(xié)方差矩陣R，得到發(fā)射方向函數(shù):
f ( θ，β ) =a ( Θ ) TRa ( β ) *, 其中 a(i3)=eXp(j2Ji ((1:N)τ-(N+l) /2) *d.*G/c*sin ( β ))為發(fā)射波束主瓣方向的導向矢量； (7)設(shè)理想發(fā)射能量函數(shù)3dB帶寬的角度范圍內(nèi)的任意一個目標的角度為Φ，由信號波形矩陣s得到回波信號sr=a ( φ) Ts，對該回波信號進行脈沖綜合，得到脈沖綜合處理后的信號St (Φ)為:
st ( Φ) =xcorr (a ( Φ) Ts), 其中 a(<i))=exp(j2 η ((1:Ν)τ-(N+l)/2)*d.*G/c*sin(<i)))為目標方向的導向矢量，xcorr O為自相關(guān)運算； (8)根據(jù)脈沖綜合處理后的信號^(小)、發(fā)射方向函數(shù)€(0，β)、發(fā)射能量函數(shù)P ( Θ )，計算脈沖綜合后信號的最大旁瓣幅度y2、發(fā)射方向函數(shù)的最大旁瓣增益y3、以及發(fā)射能量函數(shù)Ρ(θ)與理想發(fā)射能量函數(shù)Pt(0)的最大差值p，進而得到行向量X:
x=[a*y2, b*y3, c氺p]， 其中，a、b、c為大于O的三個不同系數(shù)，通過調(diào)整其大小滿足波形性能的不同需求； (9)以頻率間隔Afm、初相％作為輸入，以行向量X為輸出，得到代價函數(shù):):、￥,?爪)=X.， (10)以各波形頻率間隔Δ?；、初相％為變量，調(diào)用代價函數(shù)7(4/;?，％)，利用極小極大法進行優(yōu)化，得到優(yōu)化后的各波形頻率間隔Λ f/和初相φ:，使其滿足低距離旁瓣、低角度旁瓣，以及波形發(fā)射能量函數(shù)接近理想發(fā)射能量函數(shù)的需求； (11)用優(yōu)化后的各波形頻率間隔Afn/和初相‘，求得各波形的最終中心頻率值f/、單個波形的最終帶寬值Bs'及最終調(diào)頻斜率值μ '，進而得到最終的各信號波形Sk':S: = exp(j.2?—, - f0 )t + ]πμ'(1-^-)2 +7%) k = \U。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MMO雷達波形的設(shè)計方法，其中步驟(2)所述的在O到ITe之間對頻率間隔初始變量△ fo進行搜索，找出滿足發(fā)射能量函數(shù)的3dB帶寬等于理想發(fā)射能量函數(shù)的3dB帶寬要求的頻率間隔初值Λ f/，按如下步驟進行: 2a)在O到Ι/Te之間離散均勻的取Q個點的值，并將其由小到大排列為[h/ ,h^，...,V，…，V ]，其中 n=l, 2，…，Q ; 2b)令頻率間隔初始變量Λ &等于第η個離散值hn'，根據(jù)頻率間隔初始變量Aftl,由公式Bstl=B-(N-1) Afci計算單個信號的初始帶寬Bstl，進而得到對應的初始調(diào)頻斜率:μ 0=Bs0/Te ； 2c)根據(jù)頻率間隔初始變量Aftl，計算每個信號的初始中心頻率nk: nk=fcr(N-l)Af0/2+(k-l) Λ &，從而得到對應的初始基帶信號波形為gk:gt = exp(j2^ijk - fa)t + ]πμ0(^-y)2+M) k = \,2,---,N\` 2d)根據(jù)每個初始基帶信號波形gk，得到對應的初始信號協(xié)方差矩陣Ro=ggH，其中初始矩陣g= Iigjg2;…；gk;...;gN]，進而得到初始發(fā)射能量函數(shù)為: Po(0)=a' (0)TRoa' (θ)*, 其中 a' (0)=exp(j2 3i ((l:N)T-(N+l)/2)*d.*G, /c*sin( θ ))為角度 Θ 的初始導向矢量，初始中心頻率向量G' =Iin1, η2)..., nk,..., nN]T ； 2e)找出初始發(fā)射能量函數(shù)Ptl(Q)的最大值Pn^madabMP^e)))，再求出方程abs(PQ( Θ ))=0.5*Pm的兩個解Θ ^ θ2，其中θ ^ Θ 2，abs O為求模運算; 2f)由兩個解Θ P Θ 2，計算求得第η個初始發(fā)射能量函數(shù)的3dB帶寬Θ w(n)= θ 2- Θ工； 2g)比較每個頻率間隔初始變量Aftl對應的初始發(fā)射能量函數(shù)的3dB帶寬0w(n)與理想發(fā)射能量函數(shù)的3dB帶寬的大小，將最接近理想發(fā)射能量函數(shù)3dB帶寬的發(fā)射能量函數(shù)3dB帶寬所對應的頻率間隔初始變量Λ f0的值，作為所需要的頻率間隔初值Λ f/。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MIMO雷達波形的設(shè)計方法，其中所述步驟(8)中計算脈沖綜合后信號的最大旁瓣幅度y2，按如下步驟進行: 8a)在理想發(fā)射能量函數(shù)3dB帶寬的角度范圍內(nèi)離散均勻取J個目標角度值，將其由小到大排列為[Φ/ ，Φ2' ，...，ΦΖ' ，...，Φ/ ]，其中ζ=1，2,…，J，并令目標角度Φ = ΦΖ/，則脈沖綜合處理后的信號為Μ(ΦΖ')，進而得到目標角度所有離散值對應的脈沖綜合處理后的信號矩陣: 8?=[3?(Φ1/ ) ；8?(Φ2/);…；8?(Φ/ )];8b)將脈沖綜合處理后的信號矩陣St按行歸一化，得到脈沖綜合后歸一化的信號矩陣Sg:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MIMO雷達波形的設(shè)計方法，其中所述步驟(8)中計算發(fā)射方向函數(shù)的最大旁瓣增益y3，按如下步驟進行: 8.1)在理想發(fā)射能量函數(shù)3dB帶寬的角度范圍內(nèi)離散取M個角度值，并將其由小到大排列為[β/，iV，…，iV，…，iV ]，其中q=l，2，"％M，并令發(fā)射波束主瓣方向β=β/，則發(fā)射方向函數(shù)f(9，iV )=a(e)TRa(iV T，得到發(fā)射波束主瓣方向β所有離散角度值對應的發(fā)射方向函數(shù)矩陣:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MMO雷達波形的設(shè)計方法，其中所述步驟(8)中計算發(fā)射能量函數(shù)P( Θ )與理想發(fā)射能量函數(shù)Pt (Θ)的最大差值P，是先根據(jù)發(fā)射能量函數(shù)P(Θ)，計算發(fā)射能量函數(shù)的最大值:Pa=maX(abs(P(0)));再計算發(fā)射能量函數(shù)P( Θ )與理想發(fā)射能量函數(shù)Pt(0)的最大差值P:
【文檔編號】G01S7/42GK103592642SQ201310499194
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年10月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月22日
【發(fā)明者】趙永波, 楊金柱, 劉宏偉, 水鵬朗, 朱玉堂, 李慧 申請人:西安電子科技大學