本發(fā)明涉及交通雷達抗干擾，尤其涉及一種基于模數(shù)混合mimo陣列的雷達抗干擾波束形成方法。

背景技術：

1、交通雷達通常固定安裝在道路上，主要用于監(jiān)測交通狀況。這些雷達設備能接收車輛、行人及周邊環(huán)境反射的回波信號。然而，由于交通雷達處于較為復雜的環(huán)境中，容易受到天氣、地面雜波及其他電子設備的干擾，使得雷達的感知靈敏度、探測距離及準確性受到影響。

2、因此，亟需一種能夠有效抗干擾，確保雷達性能和準確性的波束形成方法。

技術實現(xiàn)思路

1、基于此，有必要針對上述技術問題，提供一種基于模數(shù)混合mimo陣列的雷達抗干擾波束形成方法。

2、一種基于模數(shù)混合mimo陣列的雷達抗干擾波束形成方法，包括以下步驟：根據(jù)陣元排布和目標觀測角度，構建陣列模型并估計陣列誤差，采用基于最小二乘的收發(fā)分離校準方法，生成發(fā)射校準矩陣和接收校準矩陣；將發(fā)射陣列劃分為多個子陣，并經(jīng)相位調(diào)制使所述多個子陣間發(fā)射正交波形；根據(jù)所述發(fā)射校準矩陣，對所述多個子陣內(nèi)陣元的相位進行校準，校準完成后，每個子陣發(fā)射相干信號實現(xiàn)發(fā)射端波束形成；采用波形解碼技術，從接收到的信號中分離并提取來自各個子陣的回波信號，并利用接收校準矩陣，對所述回波信號進行幅度和相位的校準；通過加窗函數(shù)控制校準后接收陣列的回波副瓣電平，并通過接收端波束形成調(diào)整波束指向。

3、在其中一個實施例中，所述根據(jù)陣元排布和目標觀測角度構建陣列模型并估計陣列誤差，采用基于最小二乘的收發(fā)分離校準方法，生成發(fā)射校準矩陣和接收校準矩陣，包括：根據(jù)目標觀測角度θ，得到實際陣列響應為：

4、

5、其中，m為發(fā)射天線的個數(shù)，n為接收天線的個數(shù)，到表示在觀測角度θ下發(fā)射天線tx1到txm與第一個接收天線rx1的響應，到表示發(fā)射天線tx1到txm與第二個接收天線rx2的響應，到表示發(fā)射天線tx1到txm與第n個接收天線rxn的響應；將實際陣列響應采用發(fā)射天線陣列響應矢量和接收天線陣列響應矢量進行表示，為：

6、

7、式中，式中，表示目標觀測角度θ時第x個發(fā)射天線的發(fā)射天線陣列響應，表示目標觀測角度θ時第x個接收天線的接收天線陣列響應的轉(zhuǎn)置；對h個觀測角度，獲取對應的實際陣列響應，并分別重構為m×n矩陣，拆分得到單獨的發(fā)射天線陣列響應和接收天線陣列響應，有：

8、

9、則h個觀測角度下的實際發(fā)射天線陣列響應矩陣為：

10、

11、h個觀測角度下的實際接收天線陣列響應矩陣為：

12、

13、對所述實際發(fā)射天線陣列響應矩陣和實際接收天線陣列響應矩陣進行校準，有：

14、

15、式中，ct為發(fā)射天線校準矩陣，ztx為發(fā)射天線調(diào)整矩陣，cr為接收天線校準矩陣，zrx為接收天線調(diào)整矩陣，atx＝[atx(θ1)，atx(θ2)，...，atx(θh)]為h個觀測角度下發(fā)射陣列理論導向矢量，arx＝[arx(θ1)，arx(θ2)，...，arx(θh)]為h個觀測角度下接收陣列理論導向矢量；將每個發(fā)射向量與其對應角度的理想導向矢量進行比較，通過最小化發(fā)射目標函數(shù)，查找最優(yōu)發(fā)射校準矩陣，所述發(fā)射目標函數(shù)為：

16、

17、式中，u＝[u(θ1)，u(θ2)，...，u(θk)]是從k個角度收集到的發(fā)射向量的集合，||?||f表示矩陣的弗羅貝尼烏斯范數(shù)；對于接收向量，通過最小化接收目標函數(shù)，查找最優(yōu)接收校準矩陣，所述接收目標函數(shù)為：

18、

19、式中，v*＝[v*(θ1)，v*(θ2)，...，v*(θk)]是從k個角度收集到的接收向量的共軛轉(zhuǎn)置集合；對每個觀測矩陣進行奇異值分解，公式為：

20、

21、將近似為秩為1矩陣，表示為：

22、

23、式中，σ1為最大奇異值，u1是與σ1對應的左奇異值向量，表示mimo天線陣列系統(tǒng)的發(fā)射分量，是與σ1對應的右奇異值向量，表示mimo天線陣列系統(tǒng)的接收分量，[·]h表示矩陣的轉(zhuǎn)置；在h個觀測角度下，對陣列響應矩陣xreal做奇異值分解：

24、u＝[u1(θ1)，u1(θ2)，...，u1(θh)]；(11)

25、式中，u表示最大奇異值對應的左奇異向量矩陣；

26、

27、式中，v表示最大奇異值對應的右奇異向量的共軛轉(zhuǎn)置矩陣；將查找最優(yōu)校準矩陣轉(zhuǎn)換為求解最小范數(shù)，公式為：

28、

29、通過最小二乘迭代求解最小范數(shù)，得到滿足范數(shù)門限的發(fā)射校準矩陣和接收校準矩陣。

30、在其中一個實施例中，所述將發(fā)射陣列劃分為多個子陣，并經(jīng)相位調(diào)制使所述多個子陣間發(fā)射正交波形，包括：將m個發(fā)射通道劃分為k個子陣，每個子陣內(nèi)有nt個發(fā)射通道，m×k維矩陣t0反應子陣劃分情況，對于第k列來說，若第m個陣元屬于第k個子陣，則其值為1，否則為0；

31、

32、其中，m＝1，2，...m，k＝1，2，...k，nt·k＝m；假設各陣元天線發(fā)射的信號表示為s(t)，在觀測角度θ下，未校準的發(fā)射陣列響應表示為：

33、

34、式中，x1，x2，...xm表示m個發(fā)射天線的發(fā)射陣列響應，at(θ)表示在觀測角度θ下發(fā)射導向矢量，系數(shù)α1是信號的縮放因子，代表整個陣列的增益或衰減系數(shù)，n(t)＝[n1(t)，n2(t)，...，nm(t)]t表示m個發(fā)射信號的噪聲矢量；劃分子陣后，將k個子陣表示為：

35、

36、式中，[·]t表示矩陣的轉(zhuǎn)置，對子陣間的發(fā)射信號進行相位調(diào)制，使子陣間發(fā)射正交波形。

37、在其中一個實施例中，所述根據(jù)所述發(fā)射校準矩陣，對所述多個子陣內(nèi)陣元的相位進行校準，校準完成后，通過發(fā)射端波束形成每個子陣內(nèi)發(fā)射相干波形，包括：根據(jù)式(13)得到的發(fā)射校準矩陣ct表示為：

38、

39、其中，對角線元素為對天線幅相誤差的幅相補償，非對角線元素為對天線耦合效應的幅相補償；按照子陣劃分的順序，劃分為k個nt×nt的子校準矩陣c1，c2，...，ck，子校準矩陣中元素為：

40、

41、模數(shù)混合結構下發(fā)射端采用移相器控制信號相位，通過移相器進行相位校準，計算得到發(fā)射天線的相位校準矩陣為：

42、

43、式中，arg(c1)表示采用旋轉(zhuǎn)矢量法對子校準矩陣c1進行校準；在觀測角度θ下，將未校準的發(fā)射陣列響應校準后表示為：

44、

45、子陣內(nèi)通過波束形成發(fā)射相干信號，子陣級發(fā)射陣列響應表示為：

46、

47、則校準后子陣級發(fā)射陣列導向矢量表示為：

48、

49、其中，a(θ)表示在觀測角度θ下發(fā)射導向矢量，表示陣列劃分矩陣的共軛轉(zhuǎn)置，diag(w)表示以向量w的元素作為對角線元素形成的對角矩陣，θ0表示陣元級相移，使方向指向目標角度。

50、在其中一個實施例中，所述采用波形解碼技術，從接收到的信號中分離并提取來自各個子陣的回波信號，并利用接收校準矩陣，對所述回波信號進行幅度和相位的校準，包括：采用波形解碼技術，對回波進行波形解碼，得到kn組回波數(shù)據(jù)，得到模數(shù)混合結構下的實際陣列響應：

51、

52、式中，v(t)＝[v1(t)，v2(t)，...，vkn(t)]t表示接收回波的噪聲矢量，表示kronecker積，b(θ)表示接收陣列的導向矢量；采用最小二乘法迭代計算得到接收校準矩陣cr后，得到接收陣列響應經(jīng)過校準后的表達式：

53、

54、式中，α＝α1α2，u(t)為校準后接收信號的噪聲矢量。

55、在其中一個實施例中，所述通過加窗函數(shù)控制校準后接收陣列的回波副瓣電平，并通過接收端波束形成調(diào)整波束指向，包括：

56、假定在θ0方向形成波束，且在接收方向圖上加低副瓣窗函數(shù)win，得到接收方向圖保持低副瓣電平的權矢量：

57、

58、其中，b(θ0)表示在θ0方向接收陣列的導向矢量，表示hadmard積；

59、采用波束形成，并經(jīng)過權矢量加權的接收信號為：

60、y(t)＝bwin(θ0)·ycal(t)；(26)

61、得到模數(shù)混合mimo雷達陣列的聯(lián)合權矢量為：

62、

63、相比于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果在于：根據(jù)陣元排布和目標觀測角度，構建陣列模型并估計陣列誤差，采用基于最小二乘的收發(fā)分離校準方法，生成發(fā)射校準矩陣和接收校準矩陣，將發(fā)射陣列劃分為多個子陣，并經(jīng)相位調(diào)制使多個子陣間發(fā)射正交波形，根據(jù)發(fā)射校準矩陣，對多個子陣內(nèi)陣元的相位進行校準，校準完成后，每個子陣內(nèi)發(fā)射相干波形實現(xiàn)波束形成，結合mimo雷達的高自由度和相控陣雷達的高增益優(yōu)點，能夠有效保持高增益，同時整體陣列保留mimo雷達在角度高分辨和目標檢測等方面的優(yōu)勢；采用波形解碼技術，從接收到的信號中分離并提取來自各個子陣的回波信號，并利用接收校準矩陣，對回波信號進行幅度和相位的校準，通過加窗函數(shù)控制校準后接收陣列的回波副瓣電平，并通過接收端波束形成調(diào)整波束指向，采用幅相校準和波束形成，在天線耦合的情況下，實現(xiàn)對特定區(qū)域的增強接收和對潛在干擾區(qū)域的有效抑制，增強了雷達系統(tǒng)在復雜環(huán)境中的適應性和抗干擾能力，提高雷達檢測概率并降低雷達虛警概率。