本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种优化的mimo雷达天线布阵设计方法。
背景技术：
多输入多输出(multiple-inputmultiple-output，mimo)雷达是一种新兴的雷达技术。相比于传统的实孔径雷达，mimo雷达通过使用多个发射通道和多个接收通道组成更大的天线孔径，从而提高了空间分辨能力，通过使用数字波束形成技术可以对场景中的多目标进行同时探测。但由于mimo雷达使用了多个发射和接收通道，当发射天线数量和接收天线数量增加时，使用经验布阵方式很难发挥mimo雷达的天线优势，浪费了天线的板面积，同时增加了整个雷达的体积。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提出了一种优化的mimo雷达天线布阵设计方法，通过计算机的搜索，找出满足约束条件下的最佳布阵形式，以获得更优的天线布阵效果，充分发挥mimo雷达天线的性能。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案进行实现
一种优化的mimo雷达天线布阵设计方法，包括以下步骤：
设定mimo雷达天线布阵的栅格数ng；
选取mimo雷达天线中一根作为基准天线放置在栅格中；
从剩余的栅格中选定nt+nr-1个栅格放置剩余天线形成一种布阵形式，其中nt为发射天线数目，nr为接收天线数目；遍历所有布阵形式，根据各天线到基准天线之间的距离，计算所有布阵形式下等效天线结构，并从中选出最合适的布阵形式。
进一步地，本发明选取所有天线中相对位置处于边缘的一根作为基准天线，该基准天线放置在栅格的边缘位置不再改变。
进一步地，本发明所述计算所有布阵形式下等效天线结构的过程为：计算各发射天线到基准天线的栅格距离li(i＝1,2…nt)，计算各接收天线到基准天线的栅格距离lj′(j＝1,2…nr)，并计算得到一个nt×nr矩阵
对矩阵a中的元素进行排序，并去除重复元素形成一维向量x，根据mimo计算规则，使用动态规划算法计算该布阵形式下的等效天线结构。
进一步地，本发明根据mimo雷达射频芯片管脚定义和实际射频板卡情况，设定各发射天线和各接收天线可行的相对位置关系，即布阵规则；根据所述布阵规则来从剩余的栅格中选定nt+nr-1个栅格。
进一步地，本发明针对每一种布阵形式下等效天线结构，若其最多等间距阵元个数n≥k，则记录下该布阵形式，其中k为设定的可接受的mimo等间距阵元个数阈值；从所记录下的布阵形式中，筛选出适合加工难度和等效孔径最大化的布阵形式。
进一步地，本发明所述步骤1中设定的栅格个数ng时应满足ng>nt×nr×2。
进一步地，本发明所述排序为使用归并排序算法对矩阵a中的元素进行从小到大的排序，
有益效果：
本发明提出的方法，对比已有技术，具有以下特点：
第一，针对所有的布阵形式，借助计算机的计算可以找到相比经验布局更好地布阵效果，解决了在mimo天线较多时的布局设计难点，同时可以充分发挥射频芯片的性能以及充分利用射频板面积。
第二，本发明考虑了发射芯片的管脚定义和布线约束，使得其布阵结果便
于实现。
第三，本发明使用了限定最边缘栅格的搜索方法，该方法可以有效地去除重复计算，提高了搜索的效率。
第四，本发明搜索过程不包含迭代运算，可以进行并行计算。
附图说明
图1为mimo实现示意图；
图2为本发明的实现流程图；
图3为某射频芯片的发射和接收管脚定义，该芯片为bga封装，其中深色圆表示发射管脚，浅色圆表示接收管脚。
图4为使用两片图3的芯片组成4发射8接收的布线可实现方案。
图5为在非限定最边缘栅格下的重复布局形式，该形式会增加计算量，需要去除。
图6为在限定最边缘栅格下的布局选取过程。
图7为较佳实施用例天线布阵结果，其中红色tx为发射天线，绿色rx为接收天线。
图8为较佳实施用例mimo等效虚拟阵列效果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明进行详细说明。
mimo天线结构通过多发多收形成多组配合关系，从而实现等效于传统一发多收或是多发一收的效果。mimo提供了一种在发射天线和接收天线间进行折中平衡的实现，使得相应的雷达系统可以自由选择适合其性能和成本的最佳解决方案。为了控制和信号处理简单，需要mimo系统的等效阵列满足等间距。如图1(a)所示，tx1、tx2为发射天线，间距为d/2；rx1、rx2、rx3、rx4为接收天线，间距为d，tx2与rx1间距为l，参考点到tx1的距离为a，参考点到目标点的距离为r，利用电磁波的远端近似，可知相应的天线经过目标再到参考点的波程为：
rn,m＝2×r+sinα·(a+n·d/2+l+m·d)；
其中n＝0、1为发射天线编号；m＝0、1、2、3为接收天线编号，α为目标与参考点连线与天线所在平面的法线所形成的角度。通过上式可以计算得到tx1、tx2与rx1、rx2、rx3、rx4经过依次组合后的波程长度，该组合可以形成一组等差数列，等效于1个发射天线和8个间距为d/2的接收天线组合的效果，如图1(b)。通过fft可以解算得到目标的角度α。
本发明主要解决在发射天线和接收天线较多时，通过经验方式无法有效利用射频板面积。因此提出了一种优化的mimo雷达天线布阵设计方法，使用计算机在栅格中搜索发射天线和接收天线组成的等效阵列，通过后续的筛选找出需要的布阵形式，从而使雷达系统实现小型化、高性能。
实施例1：
本实例一种优化的mimo雷达天线布阵设计方法，包括以下步骤：
设定mimo雷达天线布阵的栅格数ng；选取mimo雷达天线中一根作为基准天线放置在栅格中；从剩余的栅格中选定nt+nr-1个栅格放置剩余天线形成一种布阵形式，其中nt为发射天线数目，nr为接收天线数目；遍历所有布阵形式，根据各天线到基准天线之间的距离，计算所有布阵形式下等效天线结构，并从中选出最合适的布阵形式。
本实例借助计算机的计算可以找到相比经验布局更好地布阵效果，解决了在mimo天线较多时的布局设计难点。
实施例2：
在实施例1的基础上，为了避免重复计算效果相同的天线布阵，本实施例选取天线中在边缘位置(即最左边或者最右边)的一根天线作为基准天线，将该基准天线放置在栅格中的边缘位置(即栅格网络中的最左边或者最右边)，并在以后的布阵过程中，不再对此天线做栅格移动。
实施例3：
在实施例1的基础上，采用如下过程计算所有布阵形式下等效天线结构的过程为：计算各发射天线到基准天线的栅格距离li(i＝1,2…nt)，计算各接收天线到基准天线的栅格距离lj′(j＝1,2…nr)，并计算得到一个nt×nr矩阵
实施例4：
如图2所示，:一种优化的mimo雷达天线布阵设计方法，具体步骤如下：
步骤1，确定mimo雷达天线的发射天线数目nt和接收天线数目nr。
步骤2，根据发射天线数目nt和接收天线数目nr，设定mimo雷达天线布阵的栅格个数ng，以及需要选出符合mimo条件下的天线阈值k。其中天线栅格个数应尽可能满足ng>nt×nr×2。
步骤3，根据射频芯片的管脚定义和射频板卡的实际布线规则，及其他物理限制条件等因素，设定各发射天线与各接收天线可实现的相对位置关系，即布阵规则，以减少计算的复杂度，同时避免计算无法实现的天线布阵，根据期望的相对位置关系对天线进行后续排列布阵，以保证计算的有效性和可行性。
依据射频芯片的物理管脚定义，如哪些管脚为发射管脚，哪些管脚为接收管脚，以及实际中在射频板上的放置方式(即与天线所在面同侧或是与天线所在面异侧)，可以确定各发射天线和各接收天线的相对位置关系，即为可实现的布阵规则。
步骤4，选取天线中在边缘位置(即最左边或者最右边)的一根天线作为基准天线，将该基准天线放置在栅格中的边缘位置(即栅格网络中的最左边或者最右边)，并在以后的布阵过程中，不再对此天线做栅格移动，此方法可以避免重复计算效果相同的天线布阵。选择nt+nr-1个栅格将剩余的天线放置在选择的栅格中，计算各发射天线到基准天线的栅格距离li(i＝1,2…nt)组成列向量
步骤5，因矩阵a中的行向量在计算时已经是有序结果，所以使用归并排序算法，将矩阵a中的所有元素从小到大重新排列，并删除重复元素，可以快速得到一个新的无重复元素的有序一维向量x。
然后计算mimo等效布阵中最多的等间距阵元个数，该问题可以转化为计算一维向量x中最长的等差数列，使用dp算法可以高效地得到有序数列中的最长等差数列，该结果就是该组mimo天线的等效虚拟阵列中符合等距条件的阵元数量n，当n≥k时记录所选的栅格组合结果。
步骤6，在除基准天线以外的栅格中，选择nt+nr-1个栅格形成一组栅格组合如图3所示，每选择一种栅格组合就重复一次步骤4和5，直到穷尽所有排列组合的可能。
步骤7，制定筛选策略，从所有的可接受布阵结果中，筛选出适合加工难度和等效孔径最大化的布阵形式。
本发明主要是利用栅格化的天线模型，通过计算机辅助，完成mimo天线的布局，因为在仿真天线布阵过程中，计算量较大，建议使用分布式计算、并行编程、图形处理器(graphicsprocessingunit，gpu)计算等手段加速计算。
为了便于说明，图3给出一种射频芯片的发射和接收的管脚定义。根据该管脚定义，如果使用两个芯片组成4个发射通道8个接收通道的mimo阵列，则可实现布线的天线布局形式的示意图为图4所示的8种样式。这里选择图4的(h)样式作为演示说明。
设定70个等间距栅格，从这些栅格中选择12个作为天线布置的相对位置关系，如图5(a)。如果不设定最边缘约束，那么会出现图5(b)的布局形式，而其与图5的(a)的布局方式完全相同。为了防止重复计算，设定将天线组合的最边缘限定在栅格的最边缘不再变动，如图6所示。如果不限定最边缘布局，那么70个栅格的总搜索量为
根据步骤4，在图6(a)中选择了1,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13号栅格，由图4的样式h可知发射天线所在位置为1,3,12,13；接收天线的位置为4,5,6,7,8,9,10,11，这样就得到列向量向量at＝[0,2,11,12]和行向量
计算其等效波程差为[3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,14,15,16,17,18,19,20,21,22]，那么最长的等间距组合为[3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]、[4,6,8,10,12,14,16,18,20,22]。所以图6(a)的等效最大等间距虚拟这列数为10。图6(b)的计算与上述类似可以得到其最大等间距虚拟阵列数为10。更改布局样式会得到不同的结果。如选择图5的样式(a)，在图6(a)下的最大等间距虚拟阵数为12。
使用图5的样式h，在设定栅格点数为70，发射天线个数nt＝4，接收天线个数nr＝8下，经过本方法的计算得出的布阵结果如图7、8所示，其中图7为天线布阵结果，图8为发射接收组合后的等效虚拟阵列效果。图7和图8中的数字不含单位，只表示一种相对比例关系，实际可以根据所需要的前视角范围选定不同的物理值，如设定其中的一个间隔对应λ/2等(其中λ为射频信号的波长)。由图可以看出在4发8收的情况下，可以实现28个等距虚拟等效天线，天线孔径明显增大，取得了很好的布阵效果。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。