一種設計mimo雷達波形和發(fā)射天線陣列的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種設計MIMO雷達波形和發(fā)射天線陣列的方法，涉及雷達【技術領域】，包括：步驟1，設定集中式MIMO雷達的發(fā)射天線個數Nt、接收天線個數Nr和發(fā)射天線陣列的天線孔徑D，步驟2，設定集中式MIMO雷達的波形個數Nt和碼元長度Ns，步驟3，確定集中式MIMO雷達的歸一化探測角頻率和歸一化抑制角頻率，步驟4，確定期望的發(fā)射方向圖，步驟5，構建集中式MIMO雷達波形和發(fā)射天線陣列的目標函數以及約束條件，步驟6，使用優(yōu)化算法求解得到優(yōu)化后的集中式MIMO雷達波形和發(fā)射天線陣列的陣元間距向量本發(fā)明能夠降低集中式MIMO雷達波形的距離旁瓣和角度旁瓣，更好地逼近期望發(fā)射方向圖。
【專利說明】一種設計MIMO雷達波形和發(fā)射天線陣列的方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于雷達【技術領域】，具體地說是一種設計MIMO雷達波形和發(fā)射天線陣列的方法，用于設計期望的發(fā)射方向圖以及降低集中式MIMO雷達波形的距離旁瓣和角度旁瓣。

【背景技術】
[0002]多輸入多輸出(multiple-1nput multiple-output, ΜΙΜΟ)雷達是一種新興的有源探測技術，現已成為雷達【技術領域】的一個研究熱點。根據發(fā)射天線和接收天線的間距大小，可以將MMO雷達分為分布式MMO雷達和集中式MMO雷達兩類。對于集中式MMO雷達，其特點是收發(fā)天線或陣元間距較小。與相控陣雷達相比，集中式MIMO雷達具有自由地設計每個陣元發(fā)射信號波形的能力，從而具有對空間目標更高的分辨率，對低速運動目標更好的靈敏度和對一般目標更佳的參數辨別能力。此外，集中式MIMO雷達可以更加靈活地設計發(fā)射方向圖，從而使得雷達系統的工作模式非常靈活，而發(fā)射方向圖的設計也是通過波形設計實現的。因此，研究集中式MIMO雷達的波形設計，具有重要的意義。
[0003]目前，對于集中式MMO雷達波形設計的研究，主要集中于發(fā)射方向圖的設計，SP設計一組MMO雷達波形以逼近期望的發(fā)射方向圖。已經提出的方法有凸優(yōu)化方法、矩陣分解方法、半正定二次規(guī)劃方法和循環(huán)算法等。實際中，我們希望的是設計得到的MIMO雷達波形具有期望的發(fā)射方向圖，并且能夠降低集中式MIMO雷達波形的距離旁瓣和角度旁瓣，然而上述方法并不能滿足此要求。雖然，以逼近期望的發(fā)射方向圖和最小化集中式MIMO雷達波形的距離旁瓣和角度旁瓣電平為準則，設計MIMO雷達波形可以解決此問題，但是，通過該方法設計得到的MIMO雷達波形，期望方向圖的逼近效果仍需進一步提高，并且集中式MIMO雷達波形的距離旁瓣和角度旁瓣需要進一步降低。


【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對上述已有方法的缺點，提出了一種設計MMO雷達波形和發(fā)射天線陣列的方法，以進一步降低集中式MIMO雷達波形的距離旁瓣和角度旁瓣，更好地逼近期望發(fā)射方向圖。
[0005]為達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案予以實現。
[0006]一種設計MMO雷達波形和發(fā)射天線陣列的方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0007]步驟1，確定集中式MIMO雷達的發(fā)射天線陣列的天線個數Nt和接收天線個數隊；并且確定發(fā)射天線陣列的天線孔徑D= X X (Nt-1), X為設定的發(fā)射陣列天線的稀疏度，X表不乘積；
[0008]步驟2，設定集中式MIMO雷達波形的個數等于集中式MIMO雷達發(fā)射天線個數Nt ；確定集中式MIMO波形的碼元長度Ns = round (B X Tp), round (.)表示取整數，B表示集中式MIMO雷達波形的帶寬，Tp表示集中式MIMO雷達波形的時間寬度，X表示乘積；
[0009]步驟3，確定集中式MIMO雷達的歸一化探測角頻率和歸一化抑制角頻率；
[0010]步驟4，將歸一化角頻率區(qū)間[-0.5，0.5]均勻地離散化，得到歸一化離散角頻率根據歸一化探測角頻率fm和歸一化離散角頻率I確定集中式MIMO雷達的期望發(fā)射方向圖Bp ;
[0011]步驟5，構建集中式MIMO雷達波形的距離旁瓣和角度旁瓣；求取距離旁瓣和角度旁瓣的峰值旁瓣電平PSL的表達式；利用發(fā)射天線個數Ns和歸一化離散角頻率石構建集中式MIMO雷達波形矩陣S的發(fā)射方向圖；根據集中式MIMO雷達波形矩陣S的發(fā)射方向圖、期望發(fā)射方向圖Bp、距離旁瓣和角度旁瓣的峰值旁瓣電平PSL構建集中式MIMO雷達波形和發(fā)射天線陣列的目標函數；根據發(fā)射天線陣列的天線孔徑D和雷達波形矩陣S的相位矩陣P的范圍構建目標函數的約束條件；
[0012]步驟6，在約束條件下，求解集中式MIMO雷達波形和發(fā)射天線陣列的目標函數得到優(yōu)化后的集中式MIMO雷達波形S和發(fā)射天線陣列的陣元間距向量
[0013]上述技術方案的特點和進一步改進在于:
[0014](I)步驟3具體包括:
[0015]對于集中式MIMO雷達系統，對于角度值Θ，定義角度值Θ的歸一化角頻率為f =0.5 X sin ( θ )，X 表示乘積；
[0016]設定集中式MIMO雷達需要探測的空間角域個數為Ne，第m個探測角域為0m，m =1，2, -,Ne,則歸一化的探測角頻率 fm = 0.5 X Sin ( Θ m)，m = 1，2，…，Ne ;
[0017]設定需要進行距離旁瓣和角度旁瓣抑制的方向個數為N/，第η個方向記為K'，η=1，2，…，N/，則歸一化的抑制角頻率為fn' =0.5Xsin(en' ), η =1，2，...，Ν/，其中N/個方向中包含Ne個探測角域。
[0018](2)步驟4包括以下子步驟:
[0019]4a)將歸一化角頻率區(qū)間[-0.5，0.5]均勻地離散化，得到Nb個歸一化離散角頻率Ir I = 1，2，...，Nb ;Nb為期望發(fā)射方向圖Bp的維數；
[0020]4b)設定歸一化探測角頻率fm的發(fā)射波束寬度為Fm，Fm≤2 Λ F，AF表示集中式MIMO雷達的歸一化角度分辨率;m = 1，2，…，Ne
[0021]4c)如果不等式又Si；/2成立,則集中式MIMO雷達的期望發(fā)射方向圖Bp中的第I個元素的取值為1，否則，第I個元素的取值為O ;fm表示歸一化探測角頻率m = 1，2，…，N0,男表示歸一化離散角頻率，I = 1，2，…，Nb。
[0022](3)步驟5包括以下子步驟:
[0023]5a)設定集中式MMO雷達的波形矩陣為S，通過波形矩陣S表示出集中式MMO雷達波形在Ne個歸一化探測角頻率處的距離旁瓣Akl (fffl, f/ )為:

【權利要求】
1.一種設計MIMO雷達波形和發(fā)射天線陣列的方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1，確定集中式MMO雷達的發(fā)射天線陣列的天線個數Nt和接收天線個數隊；并且確定發(fā)射天線陣列的天線孔徑D = X X (Nt-1)，X為設定的發(fā)射陣列天線的稀疏度，X表示乘積； 步驟2，設定集中式MMO雷達波形的個數等于集中式MMO雷達發(fā)射天線個數Nt ;確定集中式MIMO波形的碼元長度Ns = round (B X Tp), round (.)表示取整數，B表示集中式MIMO雷達波形的帶寬，Tp表示集中式MIMO雷達波形的時間寬度，X表示乘積； 步驟3，確定集中式MIMO雷達的歸一化探測角頻率和歸一化抑制角頻率； 步驟4，將歸一化角頻率區(qū)間[-0.5,0.5]均勻地離散化，得到歸一化離散角頻率I;根據歸一化探測角頻率fm和歸一化離散角頻率i確定集中式MIMO雷達的期望發(fā)射方向圖Bp ; 步驟5，構建集中式MIMO雷達波形的距離旁瓣和角度旁瓣；求取距離旁瓣和角度旁瓣的峰值旁瓣電平PSL的表達式；利用發(fā)射天線個數Ns和歸一化離散角頻率Z構建集中式MIMO雷達波形矩陣S的發(fā)射方向圖；根據集中式MIMO雷達波形矩陣S的發(fā)射方向圖、期望發(fā)射方向圖Bp、距離旁瓣和角度旁瓣的峰值旁瓣電平PSL構建集中式MMO雷達波形和發(fā)射天線陣列的目標函數；根據發(fā)射天線陣列的天線孔徑D和雷達波形矩陣S的相位矩陣P的范圍構建目標函數的約 束條件； 步驟6，在約束條件下，求解集中式MIMO雷達波形和發(fā)射天線陣列的目標函數得到優(yōu)化后的集中式MIMO雷達波形δ和發(fā)射天線陣列的陣元間距向量fe
2.根據權利要求1所述的一種設計MIMO雷達波形和發(fā)射天線陣列的方法，其特征在于，步驟3具體包括: 對于集中式MMO雷達系統，對于角度值Θ，定義角度值Θ的歸一化角頻率為f =0.5 X sin ( Θ )，X 表示乘積； 設定集中式MMO雷達需要探測的空間角域個數為Ne，第m個探測角域為Θ m，m =1，2, -,Ne,則歸一化的探測角頻率 fm = 0.5 X sin ( Θ J，m = 1，2，…，Ne ; 設定需要進行距離旁瓣和角度旁瓣抑制的方向個數為N/，第η個方向記為θ/ , η=1，2，…，N/，則歸一化的抑制角頻率為fn' = 0.5X sin (θ/ )，n = l，2，…，N/，其中N/個方向中包含Ne個探測角域。
3.根據權利要求1所述的一種設計MIMO雷達波形和發(fā)射天線陣列的方法，其特征在于，步驟4包括以下子步驟: 4a)將歸一化角頻率區(qū)間[-0.5，0.5]均勻地離散化，得到Nb個歸一化離散角頻率Z，I = 1,2,…，Nb ；Nb為期望發(fā)射方向圖Bp的維數； 4b)設定歸一化探測角頻率fm的發(fā)射波束寬度為Fm，Fm≤2 Λ F，AF表示集中式MIMO雷達的歸一化角度分辨率；m = I, 2，-,Ne 4c)如果不等式ζ,/2成立,則集中式MIMO雷達的期望發(fā)射方向圖Bp中的第I個元素的取值為1，否則，第I個元素的取值為O ;匕表示歸一化探測角頻率m =I,2,..., Ne, f, I表示歸一化離散角頻率，I = 1,2，“'Nb。
4.根據權利要求1所述的一種設計MIMO雷達波形和發(fā)射天線陣列的方法，其特征在于，步驟5包括以下子步驟: 5a)設定集中式MMO雷達的波形矩陣為S，通過波形矩陣S表示出集中式MMO雷達波形在Ne個歸一化探測角頻率處的距離旁瓣Akl (fm，f/ )為:
其中，歸一化探測角頻率fm的值等于歸一化抑制角頻率f/的值，即fm = fn' ;(.)H表示共軛轉置，隊表示接收天線個數，at(fffl)表示歸一化探測角頻率為fm時的發(fā)射波束形成的導向向量，at(fn')表示歸一化抑制角頻率為f/時的發(fā)射波束形成的導向向量，Jkl為滑動矩陣，移位kl = 1,2,..., (Ns-1)，Ns表示碼元長度； 發(fā)射波束形成的導向向量at(fm)的表達式為:at(fm)β表示發(fā)射天線陣列的陣元間距向量，陣元間距向量β中的每個元素表示相鄰兩陣元之間的距離，陣元間距向量β中的每個元素的單位為半個波長，L為Nt行Nt-1列的下三角矩陣，其表達式為:
Nt表示發(fā)射天線個數； 滑動矩陣Jkl的具體形式為:
式中，0表示全零矩陣，I表示單位矩陣，O和I的下標表示矩陣的維數，kl表示移位，Ns表示碼元長度； 5b)設定歸一化探測角頻率與歸一化抑制角頻率之間的的集中式MMO雷達波形的角度旁瓣ck2(fm，fn')為:
其中，歸一化探測角頻率乙的值不等于歸一化抑制角頻率f/的值，即fm#fn'，(.)η表示共軛轉置，Nr表示接收天線個數，S為集中式MIMO雷達波形矩陣，ar (fm)表示歸一化探測角頻率為fm時的接收波束形成的導向向量，\(fn')表示歸一化抑制角頻率為fn'時的接收波束形成的導向向量，at(fm)表示歸一化探測角頻率為fm時的發(fā)射波束形成導向向量，at(fn')表示歸一化抑制角頻率為f/時的發(fā)射波束形成的導向向量，Jk2為滑動矩陣，移位k2 = ± 1，±2，..., ± (Ns-1)，Ns表不碼兀長度；接收波束形成的導向向量ar(fm)的表達式為:ar(fm) = [I, exp (j2 n fm)，…，exp(j2 π (Nr-1) fffl)]T, exp(.)表示指數，j為虛數單位，(.)τ表示轉置；Nr為接收天線個數；滑動矩陣Jk2的具體形式為:
式中，I.I表示取模值，O表示全零矩陣，I表示單位矩陣，O和I的下標表示矩陣的維數，k2表示移位，Ns表示碼元長度； 5c)根據步驟5a)和步驟5b)中得到的集中式MMO雷達波形的距離旁瓣Akl (fm，f/ )和角度旁瓣Ck2(fm，fn')，得到距離旁瓣和角度旁瓣的峰值旁瓣電平(Peak SidelobeLevel, PSL)PSL的表達式為:
PSL = max[|Akl(f m, fj ) |, |Ck2(fm, ) |] max表示取最大值，I.I表示取模值，fm表示歸一化探測角頻率,m = I, 2,..., N0, fj表示歸一化抑制角頻率，η = 1，2，…，N/ ,移位kl = I, 2，…，(Ns-1) ,Ns表示碼元長度,移位 k2 = ± I, ±2,..., ± (Ns-1)； 5d)構建集中式MIMO雷達波形矩陣S的發(fā)射方向圖為:
其中，diag(.)表示輸入矩陣的對角線元素，Ns表示發(fā)射天線個數，A是一個Nt行Nb列的矩陣，矩陣A由Nb個發(fā)射波束形成的導向向量組成，矩陣A具體形式為:
其中，3,^)表示歸一化離散角頻率為辦時的發(fā)射波束形成的導向向量，I =.1，2，…，Nb ；Nb為發(fā)射方向圖Bp的維數； 5e)根據步驟4)中得到的期望發(fā)射方向圖Bp和步驟5d)中的MIMO雷達波形矩陣S的發(fā)射方向圖，得到的MMO雷達波形矩陣S的發(fā)射方向圖與期望發(fā)射方向圖Bp的最大差值Emax的表達式為:
其中，max表示取最大值，I.I表示取模值，diag(.)表示輸入矩陣的對角線元素，Ns表示發(fā)射天線個數，A是一個Nt行Nb列的矩陣，X表示乘積，Y是一個權系數變量； 5f)根據距離旁瓣和角度旁瓣的峰值旁瓣電平PSL和MIMO雷達波形矩陣S的發(fā)射方向圖與期望發(fā)射方向圖Bp的最大差值Emax，得到集中式MIMO雷達波形和發(fā)射天線陣列的目標函數表達式為:
其中，min表示最小化，max表示取最大值，X表示乘積，P為集中式MMO雷達波形矩陣S的相位矩陣，即S = exp(jP)，β為發(fā)射天線陣列的陣元間距向量，α是一個權系數；構建集中式MIMO雷達波形和發(fā)射天線陣列的目標函數的約束條件為:s.t.0 ^ Px y ^ 2 31, X = 1,2，...，Nt, y = I, 2,...，Ns
其中，S.t.表示約束條件，Px，y表示集中式MIMO雷達波形矩陣S的相位矩陣P的第X行第I列對應的元素，β i表示發(fā)射天線的陣元間距向量β的第i個元素，I≤β i表示發(fā)




射陣列天線陣元間的間距大于等于半個波長，
表示確保發(fā)射陣列天線的孔徑等

于發(fā)射天線陣列的天線孔徑D，Nt表示發(fā)射天線個數，Ns表示集中式MIMO雷達波形的碼元個數。
5.根據權利要求4所述的一種設計MIMO雷達波形和發(fā)射天線陣列的方法，其特征在于，步驟6包括以下子步驟: 6a)設定最大循環(huán)次數N，設置最小代價函數值Fmin為無窮大，設置一個臨時存儲矩陣Tl和一個臨時存儲向量T2，并設置臨時存儲矩陣Tl和臨時存儲向量T2內的所有元素全部為O ; 6b)對于第h次循環(huán)，初始化集中式MIMO雷達波形的相位矩陣P、發(fā)射天線陣列的陣元間距初始向量β和權系數變量Y，具體的，將相位矩陣P中的每個元素設置為第一隨機值，第一隨機值的取值范圍為O~2π ;將陣元間距向量β中的每個元素設置為第二隨機值，第二隨機值的取值應大于等于I ;將權系數變量Y設置為第三隨機值，第三隨機值的取值范圍為O~I ; 6c)將初始化之后的相位矩陣、初始化之后的陣元位置向量和初始化之后的權系數變量代入步驟5)中的目標函數公式(I)，調用序列二次規(guī)劃算法求解得到第h次循環(huán)的相位矩陣Ph和第h次循環(huán)的陣元間距向量i3h; 6d)比較第h次循環(huán)中的目標函數值與最小代價函數值Fmin的大小，如果第h次循環(huán)中的目標函數值小于最小代價函數值Fmin，則清空臨時存儲矩陣Tl和臨時存儲向量T2，設定臨時存儲矩陣Tl =第h次循環(huán)的相位矩陣Ph，臨時存儲向量T2 =第h次循環(huán)的陣元間距向量Ph，并且使最小代價函數值Fmin等于第h次循環(huán)中的目標函數值；否則，臨時存儲矩陣Tl和臨時存儲向量T2保持不變； 6e)令h增加1，執(zhí)行步驟6b)-6d);直到h等于最大循環(huán)次數N; 6f)在結束第N次循環(huán)之后，設定發(fā)射天線陣列的陣元間距向量f =臨時存儲向量T2 ；集中式MIMO雷達波形的相位矩陣P =臨時存儲矩陣Tl ;再利用集中式MIMO雷達波形的相位矩陣得到優(yōu)化后的集中式MIMO雷達的波形矩陣§ = cxp(jf)。
【文檔編號】G01S7/282GK104076334SQ201410321569
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月8日 優(yōu)先權日:2014年7月8日
【發(fā)明者】劉宏偉, 周生華, 徐磊磊, 臧會凱, 白雪茹 申請人:西安電子科技大學