一种mimo雷达天线阵稀疏布阵方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于雷达阵列天线技术领域，涉及一种MIM0雷达天线阵稀疏布阵方法。
【背景技术】
[0002] 作为一种新型雷达体制，MIM0(多输入多输出）雷达近年来受到了广泛的关注。 MM0雷达在发射端和接收端同时使用多个天线单元，发射端发射各自正交的波形，在每个 接收单元用一系列匹配滤波器提取这些波形信号，从而等效合成一个大口径的虚拟接收 阵。与传统体制雷达相比，MM0雷达能够极大地提高系统空间分辨率。
[0003]MM0雷达天线阵各阵元实现对空间电磁波的采样，如何合理放置发射/接收阵 元，以获得具有最佳空间采样性能的虚拟阵，是实现系统高分辨率性能的关键。通常情况 下，发射/接收端均采用均匀阵，则合成的虚拟阵虽为均匀阵，但存在大量的冗余间隔。 Chen等人（参考文献：C.Chun-YangandP.P.Vaidyanathan,''MinimumredundancyMIM0 radars"，inIEEEInternationalSymposiumonCircuitsandSystems, 2008,pp. 45-48) 提出了最小冗余MMO(MR-MMO)阵列设计问题，通过构建稀疏发射/接收阵以减小虚拟阵 中的冗余间隔，在实现相同虚拟阵列孔径的前提下可大大减小阵元数目，从而降低系统硬 件成本。医学超声波成像领域中，Karaman等人（参考文献:M.Karaman,I. 0.Wygant, 0. Oralkan,andB.T.Khuri-Yakub,''MinimallyRedundant2_DArrayDesignsfor3-D MedicalUltrasoundImaging,〃IEEETransactionsonMedicalImaging,vol.28, pp. 1051-1061, 2009)从Coarray的角度也考虑了类似的问题，构造了几种冗余度较小的发 射/接收阵。MR-MIM0阵列设计问题规模很小（即发射/接收阵元数目很小）时，可通过穷 举搜索的方法进行求解。然而随着阵元数目增大，该问题的解空间规模呈指数级急剧膨胀， 要想在较短时间内找到最佳的MR-MIM0阵列配置，穷举搜索的方法已不可行。目前文献尚 缺乏求解该问题的有效算法。
【发明内容】
[0004] 本发明提出一种基于几乎差集（AlmostDifferenceSets，ADS)和差基 (DifferenceBases，DB)的MM0雷达天线阵稀疏布阵方法，实现了MM0雷达最小冗余虚 拟阵。
[0005] 为了方便描述本发明的内容，首先作以下术语定义：
[0006] 定义1 :MM0雷达
[0007]MIM0雷达的全称为"多输入多输出雷达"（multiple-inputmultipleoutput radar)，广义上的MIM0雷达被定义为发射端和接收端有多个天线，且发射端发射多个不相 关或部分相关信号波形的雷达。详见文献D.W.BlissandK.W.Forsythe, "Multiple-input multiple-output(MIM0)radarandimaging:degreesoffreedomandresolution, "in Signals,SystemsandComputers, 2003.ConferenceRecordoftheThirty-Seventh AsilomarConferenceon,2003,pp. 54-59vol. 1.
[0008] 定义2、发射天线阵元和接收天线阵元
[0009] 发射天线阵元是指安装在阵列天线上，用于发射信号波形的天线阵元，简称发射 阵元，用T表示；接收天线阵元是指安装在阵列天线上，用于接收回波信号的天线阵元，简 称接收阵元，用R表示。M单元发射天线阵阵元位置集合，用{uT，m}表示；N单元接收天线阵 阵元位置集合，用{%n}表示。
[0010] 定义3、阵元间距
[0011] 阵元间距是指两个阵元间的距离，为避免阵列方向图栅瓣影响，阵元间距最小值 通常选取为小于或等于半个波长。
[0012] 定义 4、Coarray
[0013]Coarray是指所有阵元间距的集合。详见参考文献M.Karaman,I. 0.Wygant, 0. Oralkan,andB.T.Khuri-Yakub,^MinimallyRedundant2_DArrayDesigns for3-DMedicalUltrasoundImaging,''MedicalImaging,IEEETransactions on,vol. 28,pp. 1051-1061, 2009.
[0014] 定义5、阵列孔径
[0015] 阵列孔径即整个阵列的长度，即首尾阵元的间距。
[0016] 定义6、阵列连续孔径
[0017] 阵列的连续孔径是指阵元间距集合（Coarray)中连续间距的最大值。
[0018]定义7、阵列冗余度
[0019] 阵列的冗余度是指所有可能的天线对数目与阵列连续孔径的比值。冗余度等于1 时，阵列中无冗余阵元间距。冗余度大于1时，阵列中存在冗余阵元间距。
[0020] 定义8、正交波形
[0021] 若两个波形满足：
【主权项】
1. 一种MIMO雷达天线阵稀疏布阵方法，其特征在于，包括W下几个步骤： 步骤1 ;雷达天线阵列参数初始化； 给定MIM0雷达发射阵阵元数目为M，接收阵阵元数为N; 从几乎差集ADS库中选择参数为（V，M，A，t)的几乎差集为初始几乎差集
从ADS库中选取几乎差集时，首先确定几乎差集中M的取值为发射阵兀数目，在确定M后，优先选取A取值最小，V取值最大的几乎差集； 从差基文献中选取区间[0,門上N元差基度=[占"GZP，"=心..，; 步骤2;利用步骤1设置的初始化参数构造初始MR-MIM0虚拟阵列； 令初始发射阵阵元位置为；=诚,"|}，m= 1，2,…，M; 令接收阵阵元位置；{%。}=化。?V}，n= 1，2,…，N; 根据MIM0雷达工作原理，合成的具有丽单元的初始MR-MIM0虚拟阵列的阵元位置为；
令初始循环移位0 =0,获得MR-MIM0虚拟阵列的连续孔径值L。，令最大连续孔径值 Lmax - L 0 ; 令 0 = 1 ; 步骤3;更新虚拟阵列的阵元位置，获取最佳MR-MIM0虚拟阵列； 枚举初始几乎差集的第0次移位版本，得到新的几乎差集：
为取模操作； 基于新的几乎差集，更新MR-MIM0虚拟阵列，根据MIM0雷达工作原理，计算获得更新后 的MR-MIM0虚拟阵列的连续孔径L。，并将它与当前最大连续孔径值LmJi行比较： 如果Lm"<L。，则更新最佳循环移位〇心=0,最佳几乎差集0心=0^，最大连续孔径 Lmax=L0； 如果Lm">L。，则LmJ呆持不变； W最佳几乎差集和最大连续孔径更新虚拟阵列的阵元位置，获得当前最佳MR-MIM0虚 拟阵列； 步骤4;判断是否到达更新终止条件； 如0 =V-1，则返回最佳几乎差集D°pt和最大连续孔径值Lm"，终止迭代；否则，进入步 骤5; 步骤5 :更新循环移位0 ; 0 ^ ( 0 +1)v，转到步骤3。
2. 根据权利要求1所述的一种MIM0雷达天线阵稀疏布阵方法，其特征在于，当雷达 天线阵列为二维平面阵时，设定发射平面阵阵元数目为MyXMy，接收平面阵阵元数目为 NxXNy: a)发射阵阵元位置点集为；{uT,mx,my} =KcL，d'my)}，式中，{cU为按权利要求1所述方法获得的最隹几乎差集巧叩；，始,，乂,，〇 = {媒子€公，，/?^ = 1，."成,}确定；{(1'"}为 按权利要求1所述方法获得的最佳几乎差集1^(^,.心，.，乂^、.）= ^(4：^€2>%/啤=心-，齡，.} 确定； 扣）接收阵阵元位置点集为；=UbM.Vy，b'M.Vy)}，式中，IbJ为区间 [0，PJ上的差基，IVny}为区间[〇，Py]上的差基，nx= 1，2,…，Nx;ny= 1，2,…，Ny; 合成的MyMyNyNy单元虚拟平面阵的阵元位置点集为：
覆盖的最大连续孔径区域为Xl4?，其中，写lax、与。ax分别为虚拟平面阵在X、y轴 上最大连续孔径值。
【专利摘要】本发明公开了一种MIMO雷达天线阵稀疏布阵方法，以几乎差集和差基为基础，通过枚举移位的过程来快速构建MIMO雷达发射/接收阵。当所有发射阵元同时发射正交信号，而接收阵元同时接收回波信号时，利用相位中心近似原理可等效构建具有均匀间距的虚拟阵列；给定发射/接收阵元数目，按照本发明的方法可实现等效虚拟阵列的连续孔径最大化，从而显著提高MIMO雷达系统的空间分辨率；给定虚拟阵列连续孔径，按照本发明的方法可实现发射/接收阵元数目最小化，从而显著减小系统硬件成本。本发明的方法计算量小，且对MIMO雷达稀疏直线阵和平面阵的构建情形均适用。
【IPC分类】G01S7-02
【公开号】CN104849696
【申请号】CN201510204647
【发明人】董健, 秦小芳, 施荣华
【申请人】中南大学
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年4月27日