專利名稱：Mimo雷達(dá)波形在線設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，涉及雷達(dá)波形的設(shè)計(jì)，可用于MIM0雷達(dá)波形的在線設(shè) 計(jì)，滿足工程要求。
背景技術(shù)：
多輸入多輸出MIM0雷達(dá)是一種新興的有源探測(cè)技術(shù)，現(xiàn)已成為雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域的 一個(gè)研究熱點(diǎn)。根據(jù)發(fā)射天線和接收天線的間距大小，可以將MIM0雷達(dá)分為分布式MIM0雷達(dá)和 集中式MIM0雷達(dá)兩類。對(duì)于分布式MIM0雷達(dá)來說，由于各個(gè)天線對(duì)目標(biāo)有不同的觀測(cè)視 角以及目標(biāo)回波的獨(dú)立性，在統(tǒng)計(jì)意義下，這類MIM0雷達(dá)可以克服目標(biāo)的閃爍效應(yīng)從而 提高雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)性能，如[Fishier E.，Haimovich A.，Blum R.，et al. Spatial
diversity in radars---models and detection Performance. IEEETransactions on
Signal Processing. 2006，54 (3) 823-838]。對(duì)于集中式MIM0雷達(dá)來說，其特點(diǎn)是陣元間 距較小，與相控陣?yán)走_(dá)相比，集中式MIM0雷達(dá)具有自由地設(shè)計(jì)每副天線波形的能力，從而 具有對(duì)空間目標(biāo)更高的分辨率，對(duì)低速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)更好的靈敏度和對(duì)一般目標(biāo)更佳的參數(shù)辨 別能力。更重要的是，集中式MIM0雷達(dá)可以更為靈活地設(shè)計(jì)發(fā)射方向圖，從而使得雷達(dá)系 統(tǒng)的工作模式更為靈活。從MIM0雷達(dá)概念的誕生開始到現(xiàn)在，MIM0雷達(dá)的波形設(shè)計(jì)主要圍繞正交波形設(shè) 計(jì)、發(fā)射方向圖匹配設(shè)計(jì)和發(fā)射信號(hào)波形合成等三個(gè)方面展開研究。其中，發(fā)射方向圖匹配 設(shè)計(jì)問題是解決MIM0雷達(dá)系統(tǒng)能量空間的分布問題，在數(shù)學(xué)上描述為如何從給定的發(fā)射 方向圖按照某一準(zhǔn)則優(yōu)化得到信號(hào)的協(xié)方差矩陣或者信號(hào)本身。目前，在國(guó)際刊物上發(fā)表 的較為有效的方法是Stoica Petre和Li Jian提出的半正定規(guī)劃法[Stoica P.，Li J.，Xie Y. . On probing signal design for MIM0 radar. IEEETrans. on Signal Processing. 2007, Vol. 55 (8). 4151-4161]，該算法根據(jù)給定的發(fā)射方向圖在最小均方誤差準(zhǔn)則下，得到全局 最優(yōu)的信號(hào)協(xié)方差矩陣。但是，合成的發(fā)射方向圖的峰值旁瓣電平較高，在陣元較多的情況 下，計(jì)算復(fù)雜度較高，不能快速得到信號(hào)協(xié)方差矩陣。另外，發(fā)射信號(hào)波形合成問題是指如何從信號(hào)協(xié)方差矩陣得到發(fā)射信號(hào)矩陣。發(fā) 射信號(hào)波形合成問題的目標(biāo)有1)合成的發(fā)射信號(hào)波形所形成的發(fā)射方向圖跟給定的發(fā)射方向圖的均方誤差要 小，即要逼近給定的發(fā)射方向圖。2)空間合成信號(hào)或者回波信號(hào)的時(shí)域自相關(guān)峰值旁瓣電平和時(shí)域峰值互相關(guān)電 平要低。發(fā)射信號(hào)波形合成問題的約束是信號(hào)必須保持幅度恒定，即信號(hào)要滿足恒 模條件。目前，已有的循環(huán)方法[Stoica P.，Li J.，Zhu X. . Waveform Synthesis for Diversity-BasedTransmit Beampattern Design. IEEE Trans, on Signal Processing. 2008, Vol. 56 (6). 2593-2598]在滿足信號(hào)是恒模的情況下，側(cè)重考慮發(fā)射方向
4圖的逼近問題，適當(dāng)兼顧“發(fā)射信號(hào)”的相關(guān)特性，而沒有考慮“空間合成信號(hào)”或者“回波 信號(hào)”的相關(guān)特性。而且，在現(xiàn)實(shí)中我們感興趣的是動(dòng)目標(biāo)，對(duì)于動(dòng)目標(biāo)來說，它們的方位、距離和徑 向速度時(shí)刻在發(fā)生變化。因此，對(duì)它們的電磁能量分配也要自適應(yīng)于它們的變化，這就在工 程中，提出了一個(gè)在線匹配設(shè)計(jì)發(fā)射方向圖和在線合成發(fā)射信號(hào)波形的問題。目前，針對(duì)這 兩個(gè)問題，已有的方法沒有考慮空間合成信號(hào)或者回波信號(hào)的相關(guān)特性，并且不能夠達(dá)到 在線設(shè)計(jì)波形的工程要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于克服上述已有方法的缺點(diǎn)，提出了一種MIM0雷達(dá)波形在 線設(shè)計(jì)方法，即利用基波束和基波形在線設(shè)計(jì)發(fā)射方向圖和發(fā)射信號(hào)波形，使在線設(shè)計(jì)得 到的發(fā)射波形能夠匹配給定的發(fā)射方向圖，并且其空間合成信號(hào)或者回波信號(hào)具有良好的 相關(guān)特性，以滿足工程要求。本發(fā)明技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的一.技術(shù)原理本發(fā)明的核心思想是首先引入基波束的概念，然后給出基波形的定義。由基波束 和基波形分別合成發(fā)射方向圖和發(fā)射信號(hào)波形，使合成發(fā)射方向圖的基波束具有低空域旁 瓣特性，合成發(fā)射信號(hào)波形的基波束具有低時(shí)域自相關(guān)旁瓣特性和低時(shí)域互相關(guān)特性。假設(shè)MIM0雷達(dá)系統(tǒng)是由M個(gè)輻射單元構(gòu)成的均勻線陣，發(fā)射波形X = {x(n)}, n =1，2，. . .，N為窄帶的相位調(diào)制脈沖信號(hào)，其中x (n)為MX 1維列向量，它表示第n個(gè)碼元 時(shí)刻陣列發(fā)射的信號(hào)矢量，N為碼長(zhǎng)或者子脈沖個(gè)數(shù)。為了簡(jiǎn)化問題，且不失一般性，假設(shè) 電磁波沒有傳播衰減，這樣在遠(yuǎn)場(chǎng)9方向處的信號(hào)幅度為v( 6 ) = aH( 0 )x(n)<1>其中a(0)表示發(fā)射導(dǎo)向矢量，(Oh表示共軛轉(zhuǎn)置。信號(hào)v(e)在N個(gè)子脈沖時(shí)間內(nèi)的平均功率為P(0) = ^-YaH(0)x(n)xH(n)a(0) = aH(6 )Ra(^)<2>
N n=\
1 N其中R為信號(hào)矩陣X的采樣協(xié)方差矩陣=㈨，p( e )反映了一段
iV n=\
時(shí)間內(nèi)雷達(dá)在空間各處的電磁能量分布情況，被稱為空間譜或者方向圖，它是由一系列波 maH(0)x(n)xH(n)a(0)線性疊加而成，并且每個(gè)波束aH( 0 )x(n)xH(n)a( 0 )對(duì)應(yīng)一個(gè)信 號(hào)矢量x(n)。將每個(gè)相同的波束合并，式<2>變?yōu)槭?。)= aH (汐)Ra(汐) =(沒)<3>
/=i其中Xl被稱為基信號(hào)矢量，其對(duì)應(yīng)的波束aH( 0)xlXlHa( 0 )稱為基波束，a x為基 波束的比例系數(shù)，L為基波束的總個(gè)數(shù)。根據(jù)基波束的思想，又提出了基波形的概念。所謂的基波形就是基波束最大功率 增益方向上的空間合成信號(hào)，可見基波束與基波形一一對(duì)應(yīng)。這樣，如果所有的基波形是
5“正交”的，則空間合成信號(hào)或回波信號(hào)就具有良好的非周期自相關(guān)和非周期互相關(guān)特性。二.技術(shù)過程為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明包括如下技術(shù)步驟(1)對(duì)MIM0雷達(dá)陣列進(jìn)行幅度加權(quán)，離線構(gòu)造出具有較低空域旁瓣的基波束庫；(2)基于序列二次規(guī)劃，離線構(gòu)造出不同碼長(zhǎng)和不同信號(hào)數(shù)的“正交”基波形庫(2a)根據(jù)給定的碼長(zhǎng)N和信號(hào)數(shù)J，初始化基波形bSj的相位，j = 1, . . . , J ；(2b)利用序列二次規(guī)劃，通過下述數(shù)學(xué)求解模型優(yōu)化基波形的相位，使基波形彼 此“正交”，即使得基波形具有良好的自相關(guān)和互相關(guān)特性，所述數(shù)學(xué)求解模型為1^1^!^…I y^ I其中p = [P1，P2，. . .，pN]T為優(yōu)化變量，它包含了所有基波形的相位；yi,j為第i個(gè) 基波形bSi，i = 1，...，J和第j個(gè)基波形bSj，j = 1，...，J的相關(guān)函數(shù)，當(dāng)i = j時(shí)，稱 為自相關(guān)函數(shù)，當(dāng)i興j時(shí)，稱為互相關(guān)函數(shù)；(2c)給定不同的碼長(zhǎng)N和信號(hào)數(shù)J，重復(fù)步驟(2a)和(2b)，得到“正交”基波形 庫；(3)利用線性規(guī)劃方法，從步驟(1)構(gòu)造好的基波束庫中挑選出合成人為給定發(fā) 射方向圖的基波束，并用線性規(guī)劃方法求解出基波束的發(fā)射比例a = {ai，l = l，...，L}；(4)根據(jù)步驟(3)得到的基波束及其發(fā)射比例，從“正交”基波形庫中挑選出一組 與基波束個(gè)數(shù)相同的基波形；(5)由步驟(3)得到的基波束按其發(fā)射比例合成發(fā)射方向圖，根據(jù)步驟⑷得到的 基波形，利用其相位信息合成發(fā)射信號(hào)波形。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)本發(fā)明由于離線構(gòu)造好了基波束庫，并且采用線性規(guī)劃能夠從基波束庫中在 線挑選合成人為給定發(fā)射方向圖的基波束，所以本發(fā)明能夠利用基波束在線合成發(fā)射方向 圖；(2)本發(fā)明由于通過離線構(gòu)造好了基波形庫，并且根據(jù)基波束的發(fā)射個(gè)數(shù)能夠在 線從基波形庫中挑選基波形，所以本發(fā)明能夠利用基波形在線合成發(fā)射信號(hào)波形；(3)本發(fā)明由于所構(gòu)造的基波形具有良好的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性，所以使得 空間合成信號(hào)或回波信號(hào)也具有良好的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性。


圖1是本發(fā)明的流程圖；圖2是本發(fā)明中利用基波形合成發(fā)射波形的示意圖；圖3是本發(fā)明仿真合成的發(fā)射方向圖；圖4是本發(fā)明仿真得到的基波形的所有相關(guān)函數(shù)曲線；圖5是本發(fā)明仿真得到的空間合成信號(hào)的相關(guān)函數(shù)曲線；圖6是本發(fā)明仿真得到的空間合成信號(hào)的相關(guān)函數(shù)曲線；圖7是本發(fā)明仿真合成的發(fā)射方向圖；圖8是本發(fā)明仿真得到的基波形的所有相關(guān)函數(shù)曲線；圖9是本發(fā)明仿真得到的空間合成信號(hào)的相關(guān)函數(shù)曲線；
圖10是本發(fā)明仿真得到的空間合成信號(hào)的相關(guān)函數(shù)曲線；圖11是本發(fā)明仿真合成的發(fā)射方向圖；圖12是本發(fā)明仿真得到的基波形的所有相關(guān)函數(shù)曲線；圖13是本發(fā)明仿真得到的空間合成信號(hào)的相關(guān)函數(shù)曲線；圖14是本發(fā)明仿真得到的空間合成信號(hào)的相關(guān)函數(shù)曲線。
具體實(shí)施例方式步驟1，離線構(gòu)造基波束庫為了得到低空域副瓣和低空域互相關(guān)系數(shù)的發(fā)射方向圖，所要構(gòu)造的基波束也必 須具有低空域副瓣，并且基波束兩兩之間要具有較小的空域互相關(guān)系數(shù)。借鑒相控陣采用 切比雪夫加權(quán)后具有低副瓣的特性，對(duì)MIMO雷達(dá)線性陣列進(jìn)行切比雪夫幅度加權(quán)，構(gòu)造一
組基信號(hào)矢量
權(quán)利要求
一種MIMO雷達(dá)波形在線設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟(1)對(duì)MIMO雷達(dá)陣列進(jìn)行幅度加權(quán)，離線構(gòu)造出具有較低空域旁瓣的基波束庫；(2)基于序列二次規(guī)劃，離線構(gòu)造出不同碼長(zhǎng)和不同信號(hào)數(shù)的“正交”基波形庫(2a)根據(jù)給定的碼長(zhǎng)N和信號(hào)數(shù)J，初始化基波形bsj的相位，j＝1，...，J；(2b)利用序列二次規(guī)劃，通過下述數(shù)學(xué)求解模型優(yōu)化基波形的相位，使基波形彼此“正交”，即使得基波形具有良好的自相關(guān)和互相關(guān)特性，所述數(shù)學(xué)求解模型為其中p＝[p1，p2，...，pN]T為優(yōu)化變量，它包含了所有基波形的相位；yi，j為第i個(gè)基波形bsi，i＝1，...，J和第j個(gè)基波形bsj，j＝1，...，J的相關(guān)函數(shù)，當(dāng)i＝j(luò)時(shí)，稱為自相關(guān)函數(shù)，當(dāng)i≠j時(shí)，稱為互相關(guān)函數(shù)；(2c)給定不同的碼長(zhǎng)N和信號(hào)數(shù)J，重復(fù)步驟(2a)和(2b)，得到“正交”基波形庫；(3)利用線性規(guī)劃方法，從步驟(1)構(gòu)造好的基波束庫中挑選出合成人為給定發(fā)射方向圖的基波束，并用線性規(guī)劃方法求解出基波束的發(fā)射比例α＝{αl，l＝1，...，L}；(4)根據(jù)步驟(3)得到的基波束及其發(fā)射比例，從“正交”基波形庫中挑選出一組與基波束個(gè)數(shù)相同的基波形；(5)由步驟(3)得到的基波束按其發(fā)射比例合成發(fā)射方向圖，根據(jù)步驟(4)得到的基波形，利用其相位信息合成發(fā)射信號(hào)波形。FSA00000255298200011.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MIM0雷達(dá)波形在線設(shè)計(jì)方法，其中步驟(1)所述的離線構(gòu)造 出具有較低空域旁瓣的基波束庫，按如下步驟進(jìn)行(2a)對(duì)MIM0雷達(dá)線性陣列進(jìn)行切比雪夫幅度加權(quán)，構(gòu)造一組基信號(hào)矢量Xl =w Oa(01), 1 = 1，2，...，L，其中w為MX1維切比雪夫加權(quán)向量， 表示點(diǎn)乘，0表示 指向的導(dǎo)向矢量；(2b)根據(jù)基信號(hào)矢量Xl，1 = 1，. . .，L構(gòu)造出基波束庫馬
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MIM0雷達(dá)波形在線設(shè)計(jì)方法，其中步驟(3)所述的用線性規(guī) 劃方法求解出基波束發(fā)射比例a = {apl = 1，...，L}，是通過如下數(shù)學(xué)模型計(jì)算
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MIM0雷達(dá)波形在線設(shè)計(jì)方法，其中步驟(5)所述的由基波束 按其發(fā)射比例合成發(fā)射方向圖以及根據(jù)基波形的相位信息合成發(fā)射信號(hào)波形的過程，按如 下步驟進(jìn)行(4a)初始化碼元時(shí)刻n = 1 ；(4b)初始化基波形序號(hào)i = 1 ；(4c)根據(jù)基波形bSi(n)的幅度是否為1確定基波束和相應(yīng)的發(fā)射信號(hào)矢量，如果為1， 則發(fā)射第i個(gè)基波束，同時(shí)發(fā)射信號(hào)矢量x (n) = exp (j angle (bs, (n))) w a ( e》，其中 exp(.)表示指數(shù)運(yùn)算，angle (O表示取主值相位，w為MX 1維切比雪夫加權(quán)向量， 表 示點(diǎn)乘，a( 0》表示指向角度0 i的導(dǎo)向矢量，接著轉(zhuǎn)到步驟(4e)；如果不為1，則直接轉(zhuǎn)到 步驟(4d)；(4d)判斷i是否為J，如果是則轉(zhuǎn)到步驟(4b)，否則令i = i+1，轉(zhuǎn)到步驟(4c)； (4e)判斷n是否為N，如果是則停止，否則令n = n+1，轉(zhuǎn)到步驟(4b)； 以上步驟完成后，所有的基波束通過累加就形成發(fā)射方向圖，所有的發(fā)射信號(hào)矢量按 順序排列就構(gòu)成了發(fā)射信號(hào)波形。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種集中式MIMO雷達(dá)波形在線設(shè)計(jì)方法，主要解決現(xiàn)有方法不能在線設(shè)計(jì)發(fā)射方向圖和不能在線合成發(fā)射信號(hào)波形的問題。其過程是(1)對(duì)MIMO雷達(dá)陣列進(jìn)行幅度加權(quán)，離線構(gòu)造出具有低空域旁瓣的基波束庫；(2)基于序列二次規(guī)劃，離線構(gòu)造出各種比例的并具有低自相關(guān)峰值旁瓣電平和低峰值互相關(guān)電平的“正交”基波形庫；(3)利用線性規(guī)劃，在線求解出合成給定發(fā)射方向圖的基波束發(fā)射比例；(4)根據(jù)基波束的發(fā)射比例，從“正交”基波形庫中在線挑選滿足要求的基波形；(5)由挑選出的基波束和基波形分別在線合成發(fā)射方向圖和發(fā)射信號(hào)波形。本發(fā)明與現(xiàn)有波形設(shè)計(jì)方法相比，能夠?qū)崿F(xiàn)在線波形的設(shè)計(jì)，可用于MIMO雷達(dá)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的自適應(yīng)跟蹤。
文檔編號(hào)H04B7/06GK101950014SQ201010271550
公開日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月2日
發(fā)明者劉宏偉, 葉超, 王旭, 糾博, 胡亮兵 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)