Mimo雷达多窄波束的赋形方法及装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种MIMO雷达多窄波束的赋形方法及装置，其中，该方法包括：根据多窄波束的指向角的个数K确定正交基带波形的个数为K,其中K为正整数；根据发射天线个数M和正交基带波形的个数K确定M×K维波形系数矩阵，其中M为正整数；利用最小化积分旁瓣水平的准则对M×K维波形系数矩阵的第1至K列向量进行优化设计得到每个子窄波束对应的最优化波形系数；将每个子窄波束对应的最优化波形系数合并成最优化波形系数矩阵。该方法实现了多窄波束赋形，从而降低了发射方向图的旁瓣水平。
【专利说明】
MI MO雷达多窄波束的赋形方法及装置
技术领域
[0001]本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种MBTO雷达多窄波束的赋形方法及装置。
【背景技术】
[0002] 作为相控阵雷达的自然延伸，多输入多输出（Multi-input Multi-output，MIM0) 雷达不仅具备波形分集(发射多波形)特性还同时具备发射天线的相干耦合(相干增益)特 性，从而使得MIM0雷达具有额外自由度来进行波形优化设计以实现灵活的发射波束(方向 图）赋形。
[0003] 发射波束赋形是为了使发射天线的辐射功率按照预先期望的那样分布在所照射 的空域里，从而形成期望的发射方向图。一般而言，实现发射方向图赋形可以采用的方法主 要有两种:形状逼近算法(如优化波形协方差矩阵(Waveform Covariance Matrix，WCM)使 所设计方向图以均方误差(Mean Square Error，MSE)最小化或直接差值的最大值最小化的 方式来逼近期望方向图）和最小化旁瓣水平算法。
[0004] 但是相关的算法主要适用于宽波束的发射方向图设计，无法直接应用于窄波束方 向图设计。而且，雷达直接发射宽波束有时不仅会浪费系统发射功率还会降低系统的输出 信噪比，因为雷达目标不可能出现在所照射空域的每个角度上而发射宽波束又会增加了杂 波的干扰。此外在现实应用中，当多个目标出现在所观测的空域后，对这若干个目标区域同 时进行仔细监测和观察便成为了一种迫切需要，此时多窄发射波束赋形则显得很有意义。 然而传统相控阵雷达由于受发射单波形体制的限制，不能直接实现多窄发射波束赋形，而 发射多波形的MM0雷达则为实现多窄波束提赋形提供了可能。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题之一。
[0006] 为此，本发明的第一个目的在于提出一种MM0雷达多窄波束的赋形方法。该方法 实现了多窄波束赋形，从而降低了发射方向图的旁瓣水平。
[0007] 本发明的第二个目的在于提出了一种MBTO雷达多窄波束的赋形装置。
[0008] 为达上述目的，本发明第一方面实施例的MM0雷达多窄波束的赋形方法，包括:根 据多窄波束的指向角的个数K确定正交基带波形的个数为K，其中K为正整数;根据发射天线 个数M和所述正交基带波形的个数K确定MXK维波形系数矩阵，其中M为正整数;利用最小化 积分旁瓣水平的准则对所述MXK维波形系数矩阵的第1至K列向量进行优化设计得到每个 子窄波束对应的最优化波形系数;将所述每个子窄波束对应的最优化波形系数合并成最优 化波形系数矩阵。
[0009] 本发明实施例的赋形方法，首先根据多窄波束的指向角的个数确定正交基带波形 的个数，接着根据发射天线个数和正交基带波形的个数确定波形系数矩阵，再利用最小化 积分旁瓣水平的准则对波形系数矩阵中的每一列向量进行优化设计得到每个子窄波束对 应的最优化波形系数，最后将每个最优化波形系数合并成最优化波形系数矩阵。该方法实 现了多窄波束赋形，从而降低了发射方向图的旁瓣水平。
[0010] 在一些示例中，所述发射天线均匀线性等间距排列。
[0011] 在一些示例中，每一个所述发射天线具有Q个独立、正交基带波形的信号，其中，Q 为正整数且小于等于M。
[0012] 在一些示例中，所述最小化积分旁瓣水平的准则表达式为 a(0)为发射天线的导引矢量其表达式为
其中，M 为发射天线个数，dT为所述发射天线之间的间距，0kS所述指向角，k表示第k(k=l，2,…，K) 个波束指向角。
[0013] 在一些示例中，所述的赋形方法，还包括:根据所述最优化波形系数矩阵获得每个 发射天线发射的波形。
[0014] 为达上述目的，本发明第二方面实施例的MM0雷达多窄波束的赋形装置。包括:第 一确定模块，用于根据多窄波束的指向角的个数K确定正交基带波形的个数为K，其中K为正 整数;第二确定模块，用于根据发射天线个数M和所述正交基带波形的个数K确定M X K维波 形系数矩阵，其中M为正整数;优化设计模块，用于利用最小化积分旁瓣水平的准则对所述M XK维波形系数矩阵的第1至K列向量进行优化设计得到每个子窄波束对应的最优化波形系 数;合成模块，用于将所述每个子窄波束对应的最优化波形系数合并成最优化波形系数矩 阵。
[0015] 本发明实施例的赋形装置，首先第一确定模块根据多窄波束的指向角的个数确定 正交基带波形的个数，接着第二确定模块根据发射天线个数和正交基带波形的个数确定波 形系数矩阵，优化设计模块再利用最小化积分旁瓣水平的准则对波形系数矩阵中的每一列 向量进行优化设计得到每个子窄波束对应的最优化波形系数，最后合成模块将每个最优化 波形系数合并成最优化波形系数矩阵。该装置实现了多窄波束赋形，从而降低了发射方向 图的旁瓣水平。在一些示例中，所述发射天线均匀线性等间距排列。
[0016] 在一些示例中，每一个所述发射天线具有Q个独立、正交基带波形的信号，其中，Q 为正整数且小于等于M。
[0017] 在一些示例中，所述最小化积分旁瓣水平的准则表达式为
a(0)为发射天线的导引矢量其表达式为
，其中，M 为发射天线个数，dT为所述发射天线之间的间距，0kS所述指向角，k表示第k(k=l，2,…，K) 个波束指向角。
[0018] 在一些示例中，所述的赋形方法，还包括:波形设计模块，用于根据所述最优化波 形系数矩阵获得每个发射天线发射的波形。
[0019] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0020] 本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得 明显和容易理解，其中：
[0021] 图1是根据本发明一个实施例的MBTO雷达多窄波束发射方向的示意图。
[0022]图2是根据本发明一个实施例的MBTO雷达多窄波束的赋形方法的流程图；
[0023]图3是根据本发明另一个实施例的MBTO雷达发射天线的信号处理模型的示意图；
[0024] 图4是根据本发明另一个实施例的MBTO雷达多窄波束的赋形方法的流程图；
[0025] 图5是根据本发明一个实施例的三窄波束赋形情形下的仿真结果示意图；
[0026] 图6是根据本发明一个实施例的五窄波束赋形情形下的仿真结果示意图；
[0027]图7是根据本发明一个具体实施例的MIM0雷达多窄波束的赋形方法的流程图；以 及
[0028]图8根据本发明一个实施例的MBTO雷达多窄波束的赋形装置的示意图。
【具体实施方式】
[0029] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0030] 对于发射波束而言，旁瓣水平永远都是评价其可靠性的一个重要指标。而积分旁 瓣水平定义了旁瓣区（代表不感兴趣区域)能量与主瓣区（代表感兴趣区域)能量的比值，因 此若将发射波束划分成若干个区域，在最小化积分旁瓣水平的过程中不仅能够使感兴趣区 域的能量分布最大化，还能使不感兴趣区域的能量最小化，从而能够很好控制发射波束能 量的分布，为发射波束赋形提供了设计空间。进一步，如图1所示MM0雷达多窄波束发射方 向的示意图。可以看出，当对感兴趣的多定点区域进行同时观察时，多窄发射波束赋形要比 直接采用宽波束覆盖(图中虚线部分)具备更高的效率，从而能够使雷达系统获得更高的输 出信噪比。
[0031 ]图2是根据本发明一个实施例的MBTO雷达多窄波束的赋形方法的流程图。
[0032] 如图2所示，该赋形方法可以如下几个步骤：：
[0033] 在步骤101中，根据多窄波束的指向角的个数K确定正交基带波形的个数为K，其中 K为正整数。
[0034]可以理解的是，根据多窄波束的指向角的数目来决定发射波形(正交波形基）的数 目，采用一个基带波形实现一个子窄波束赋形的原则，并行设计这若干个子窄波束所对应 的波形。
[0035]在步骤102中，根据发射天线个数M和正交基带波形的个数K确定MXK维波形系数 矩阵，其中M为正整数。
[0036]作为一种示例，发射天线均匀线性等间距排列。
[0037]可以理解的是，一个MM0雷达系统，其发射天线数目为M且以均匀线性等间距排 列，间距为dT(小于等于发射信号半波长）。
[0038]作为一种示例，每一个发射天线具有Q个独立、正交基带波形的信号，其中，Q为正 整数且小于等于M。
[0039]可以理解的是，每个天线发射的是一组含有Q(Q<M)个独立、正交基带波形的信 号，以列向量的形式将这Q个波形表示为巾（0 = [(^(0 …（i>Q(t)]T，其中上角标 T表示矩阵转置操作。那么，发射天线分别调制这Q个波形的系数(包含幅度和相位）用相应 的波形系数矩阵表示C=[C1 c2…cQ]，其中CeCM:xe^cq是由各发射天线调制第q(q=l， 2,...，Q)个波形的系数所构成的向量。定义=尽，其中Et表示雷达天线发射的总功 孕二.1.. 率，I I ? I I表示向量的欧氏范数。
[0040] 需要说明一下，MBTO雷达发射天线的信号处理模型如图3所示。
[0041] 在步骤103中，利用最小化积分旁瓣水平的准则对MXK维波形系数矩阵的第1至K 列向量进行优化设计得到每个子窄波束对应的最优化波形系数。
[0042]可以理解的是，波形被发射到远场目标0(G ?=[-jt/2，V2])处的表达式为:s(t， 0)=aH(0)〇(t)=aH(0)C(})(t)，其中 〇(t)=C(Ht)为由M个发射天线所发射波形组成的向 量，a(0)表示发射天线的导引矢量且其表达式为；
对上式所表示的发射信号s(t，0)取模平方(代表信号辐射功率)并在一个发射波形周期!^ 内积分，那么MM0雷达发射方向图的表达式即可表示为： 〇(6>) = j
[0043] = a/' (<?)Cf f (j)(f)<j>// (/ )d^ |Cua(6>) Cl) K：tp- J 二 a"⑷CC"a(6>)
[0044]由（1)式可以看出，波形系数矩阵C与发射波束赋形息息相关，优化矩阵C不仅是实 现发射波束的设计也是实现发射波形的设计。根据已知期望波束的子波束数目K，令Q = K (发射波形基的数目也为K)，即设置波形系数矩阵C的维数为MXK且C=[C1 c2…CK]。 [0045]需要说明的是，在一些示例中，最小化积分旁瓣水平的准则表达式为：
i (9)为发射天线的导引矢量其表达式为
，其中，M为发射天线个数，dT为所述发射天线之间 的间距，0k为所述指向角，k表示第k(k=l，2,…，K)个波束指向角。
[0046]可以理解的是，首先多窄波束赋形过程中采用的是并行设计的原则，因此对于每 个子窄波束赋形的波形设计，都分别采用最小化积分旁瓣水平的准则来获得波形的最优系 数。
[0047]可以理解的是，根据期望波束的子波束指向角0 = [0i 02…0K]，采用一一对应的 原则（即向量Ck只依赖于角度0k，k=l，2,. . .，K)，利用最小化积分旁瓣水平的准则分别对C 中每个列向量进行优化设计：例如，对于向量C1而言，定义指向0:处的子波束的主瓣区为 {h}，而旁瓣区则定义为除h外的所有区域，即?Uh}，其它向量依次类推，在设定好主瓣
区和旁瓣区后，最小化积分旁瓣水平的准则表达式为 一般而 6 言是一个正定矩阵，因此上面的K个最小化问题都能获得最优解析解，且第k 0 (k = 1，2，…K )个问题的最优解析解为cf = a(死）-U2 (Uf iu21 Uf La(巧)，其中 Ai = [ a^a;'?'U2是通过将秩一矩阵a(0k)a H(0k)特征分解为如下表达式所得： ?攸}.
C2)
[0049]在获得了<#(々=1，2，._.,/0的表达式后，可以通过一定的能量限制条件来配置 Cf，使得|>r 2 =4。其中一种方案是使对所有k都相等，此时所得的波形系数矩阵c为： ^.-1
(3：)
[0051]需要说明的是，由于要实现的是窄波束赋形，因此最小化积分旁瓣准则所考虑的 是最窄的情形，其核心是:使每个子窄波束在指向角上的辐射功率最大化的同时使其它角 度上的辐射功率最小化。因此本算法中的主瓣区定义为指向角所对应的离散点，旁瓣区则 为除指向角所对应离散点以外其它所有的辐射角度区域。
[0052]在步骤104中，将每个子窄波束对应的最优化波形系数合并成最优化波形系数矩 阵。
[0053]可以理解的是，由于采用的是多窄波束并行设计的原则，因此在获得了每个子窄 波束所对应的最优波形系数后，需要对这些最优系数进行综合，合并成一个优化的波形系 数矩阵。这样就将多个子窄波束综合成一个多窄波束，从而实现MIM0雷达多窄发射波束赋 形。此外，算法是在已知正交波形基的基础上，每副天线发射这些正交波形基的任意线性组 合来实现将波形设计转换成波形系数矩阵设计。
[0054]进一步实现了将MM0雷达发射出的信号功率尽可能多的聚集在若干个感兴趣角 度(或若干个目标区域)上，从而以利于多目标、多指向角的同时观测。
[0055]需要说明的是，在将每个子窄波束对应的最优化波形系数合并成最优化波形系数 矩阵。也就是将多个子窄波束综合成一个多窄波束后，如图4所示，还包括:步骤105,根据最 优化波形系数矩阵获得每个发射天线发射的波形。从而实现MM0雷达的波形设计。
[0056]可以理解的是，例如，把(3)式获得的波形系数矩阵代入到（1)式的方向图中，便可 得到最终的多窄波束发射方向图。此外，还可根据下式得出第m(m=l，2,...，M)个天线所发 射的波形表达式为：[0 (t) ]m = C(m，1 :K) (Ht)，其中C(m，1 :K)表示为矩阵C中第m行元素组 成的行向量。
[0057]举例而言，如表1所示，发射天线数目M = 50,发射天线间距dT都取发射信号的半波 长长度，并分别考虑一个三波束和五波束情形。
[0058]表1仿真参数
[0060]图5给出了三窄波束赋形情形下的仿真结果示意图，从图中可以看出三个子波束 的实际指向角与期望的指向角[-20° 0° 35° ]完全吻合，且发射波束形状良好。
[0061]图6给出了五窄波束赋形情形下的仿真结果图，从图中也可以看出五个子波束的 实际指向角与期望的指向角[-40° -20° 0° 30° 60° ]完全吻合，且发射波束形状良好。 [0062]需要说明的是，以上所述所用到的实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡 是依据本发明的技术实质进行的相关修改均仍属于本发明方案的范围内。
[0063]本发明实施例的赋形方法，首先根据多窄波束的指向角的个数确定正交基带波形 的个数，接着根据发射天线个数和正交基带波形的个数确定波形系数矩阵，再利用最小化 积分旁瓣水平的准则对波形系数矩阵中的每一列向量进行优化设计得到每个子窄波束对 应的最优化波形系数，最后将每个最优化波形系数合并成最优化波形系数矩阵。该方法实 现了多窄波束赋形，从而降低了发射方向图的旁瓣水平。
[0064]为了使得本领域人员进一步了解MM0雷达多窄波束的赋形方法，下面结合图7具 体说明，如图7所示:概括是将发射波束赋形的波形设计转换成波形系数矩阵设计后，利用 最小化积分旁瓣水平准则对波形系数矩阵进行优化设计，以实现多窄发射波束赋形和发射 波形优化设计。
[0065]具体地，令MM0雷达每副天线都发射由一组正交波形基随意叠加组成的波形，而 随意叠加这些波形（也即对波形进行幅度和相位调制）的系数用矩阵形式及为波形系数矩 阵，根据发射天线数目和波束中子波束(指向角）的数目来确定波形系数矩阵的维数(代表 了发射天线数目和发射波形数目的乘积），将波形系数矩阵拆分成与子波束数目相等的列 向量，然后采用最小化积分旁瓣水平的准则利用指向角信息分别对每个子波束所对应的波 形系数向量进行优化设计，最后将这若干个最优波形系数向量按照一定能量配置比例合并 成所要求的波形系数矩阵，从而实现期望的多窄发射波束赋形和相应的波形设计。在实现 多窄波束赋形的过程中降低了发射方向图的旁瓣水平。
[0066] 与上述实施例提供的mmo雷达多窄波束的赋形方法相对应，本发明的一种实施例 还提供一种MIM0雷达多窄波束的赋形装置，由于本发明实施例提供的MM0雷达多窄波束的 赋形装置与上述实施例提供的MM0雷达多窄波束的赋形方法具有相同或相似的技术特征， 因此在前述MM0雷达多窄波束的赋形方法的实施方式也适用于本实施例提供的MM0雷达 多窄波束的赋形装置，在本实施例中不再详细描述。如图8所示，该MIM0雷达多窄波束的赋 形装置可包括:第一确定模块10、第二确定模块20、优化设计模块30、合成模块40和波形设 计模块50。
[0067] 其中，第一确定模块10用于根据多窄波束的指向角的个数K确定正交基带波形的 个数为K,其中K为正整数。
[0068]第二确定模块20用于根据发射天线个数M和正交基带波形的个数K确定MX K维波 形系数矩阵，其中M为正整数。
[0069] 优化设计模块30用于利用最小化积分旁瓣水平的准则对MXK维波形系数矩阵的 第1至K列向量进行优化设计得到每个子窄波束对应的最优化波形系数。
[0070] 合成模块40用于将每个子窄波束对应的最优化波形系数合并成最优化波形系数 矩阵。
[0071 ]在一些示例中，发射天线均匀线性等间距排列。
[0072] 在一些示例中，每一个发射天线具有Q个独立、正交基带波形的信号，其中，Q为正 整数且小于等于M。
[0073] 在一些示例中，最小化积分旁瓣水平的准则表达式为 a(0)为发射天线的导引矢量其表达式为
其中，M 为发射天线个数，dT为所述发射天线之间的间距，0kS所述指向角，k表示第k(k=l，2,…，K) 个波束指向角。
[0074] 在一些示例中，波形设计模块50用于根据最优化波形系数矩阵获得每个发射天线 发射的波形。
[0075] 本发明实施例的赋形装置，首先第一确定模块根据多窄波束的指向角的个数确定 正交基带波形的个数，接着第二确定模块根据发射天线个数和正交基带波形的个数确定波 形系数矩阵，优化设计模块再利用最小化积分旁瓣水平的准则对波形系数矩阵中的每一列 向量进行优化设计得到每个子窄波束对应的最优化波形系数，最后合成模块将每个最优化 波形系数合并成最优化波形系数矩阵。该装置实现了多窄波束赋形，从而降低了发射方向 图的旁瓣水平。
[0076] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能 理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第 一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，"多个" 的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0077] 在本说明书的描述中，参考术语"一个实施例"、"一些实施例"、"示例"、"具体示 例"、或"一些示例"等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特 点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不 必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任 一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技 术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结 合和组合。
[0078] 流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括 一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部 分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺 序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明 的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
[0079] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例 性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述 实施例进行变化、修改、替换和变型。
【主权项】
1. 一种ΜΙΜΟ雷达多窄波束的赋形方法，其特征在于，包括以下步骤： 根据多窄波束的指向角的个数Κ确定正交基带波形的个数为Κ，其中Κ为正整数； 根据发射天线个数Μ和所述正交基带波形的个数Κ确定ΜΧΚ维波形系数矩阵，其中Μ为 正整数； 利用最小化积分旁瓣水平的准则对所述ΜΧΚ维波形系数矩阵的第1至Κ列向量进行优 化设计得到每个子窄波束对应的最优化波形系数； 将所述每个子窄波束对应的最优化波形系数合并成最优化波形系数矩阵。2. 如权利要求1所述的赋形方法，其特征在于，所述发射天线均匀线性等间距排列。3. 如权利要求1所述的赋形方法，其特征在于，每一个所述发射天线具有Q个独立、正交 基带波形的信号，其中，Q为正整数且小于等于Μ。4. 如权利要求1所述的赋形方法，其特征在于，所述最小化积分旁瓣水平的准则表达式为：|为发射天线的导引矢量其表达式其中，Μ为发射天线个数，dT为所述发射天线之间的间距，所述指向角，k表示第k(k=l， 2，···，Κ)个波束指向角。5. 如权利要求1所述的赋形方法，其特征在于，还包括:根据所述最优化波形系数矩阵 获得每个发射天线发射的波形。6. -种ΜΙΜΟ雷达多窄波束的赋形装置，其特征在于，包括： 第一确定模块，用于根据多窄波束的指向角的个数Κ确定正交基带波形的个数为Κ，其 中Κ为正整数； 第二确定模块，用于根据发射天线个数Μ和所述正交基带波形的个数Κ确定Μ X Κ维波形 系数矩阵，其中Μ为正整数； 优化设计模块，用于利用最小化积分旁瓣水平的准则对所述ΜΧΚ维波形系数矩阵的第 1至Κ列向量进行优化设计得到每个子窄波束对应的最优化波形系数； 合成模块，用于将所述每个子窄波束对应的最优化波形系数合并成最优化波形系数矩 阵。7. 如权利要求6所述的赋形装置，其特征在于，所述发射天线均匀线性等间距排列。8. 如权利要求6所述的赋形装置，其特征在于，每一个所述发射天线具有Q个独立、正交 基带波形的信号，其中，Q为正整数且小于等于Μ。9. 如权利要求6所述的赋形装置，其特征在于，所述最小化积分旁瓣水平的准则表达式为：为发射天线的导引矢量其表达式 其中，Μ为发射天线个数，dT为所述发射天线之间的间距，所述指向角，k表示第k(k=l， 2，···，Κ)个波束指向角。10. 如权利要求6所述的赋形装置，其特征在于，还包括:波形设计模块，用于根据所述 最优化波形系数矩阵获得每个发射天线发射的波形。
【文档编号】G01S7/282GK105929372SQ201610232719
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月14日
【发明人】徐海胜, 王剑, 任勇, 张长水
【申请人】清华大学