Mimo雷达波形的设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种MIMO雷达波形的设计方法，主要解决用现有技术设计波形多普勒容忍性差的问题。其实现步骤是：固定雷达的一组波形中心频率顺序，并将其初相均设为0；对频率间隔初始变量进行搜索，找出满足发射能量函数3dB带宽等于理想发射能量函数3dB带宽要求的频率间隔初始值；根据频率间隔初始值，设置各频率间隔；以频率间隔、初相为输入，以发射能量函数差值、发射方向旁瓣增益以及脉冲综合后信号的旁瓣幅度为输出，构造代价函数；调用代价函数，利用极小极大法进行优化，得到满足要求的频率间隔和初相；根据频率间隔和初相，得到最终的一组信号，完成各波形的设计。本发明设计的波形具有多普勒容忍性好的优点，可用于目标探测。
【专利说明】MI MO雷达波形的设计方法
【技术领域】
[0001]本发明属于雷达【技术领域】，涉及一种MIMO雷达波形的设计方法，可用于目标探测。
【背景技术】
[0002]多输入输出MIMO雷达是一种新兴的有源探测技术。它的辐射天线和接收天线根据系统要求可以进行灵活布置并且每个辐射单元可以发射不同的信号波形。发射波形包括正交波形和互相关波形，而通常需要的是互相关波形。MMO雷达可以利用波形分集能力灵活地设计互相关波形，使得电磁波的能量聚焦到感兴趣的目标上或区域上，从而有效地利用电磁能量和抑制不必要的杂波干扰。为了更好地设计互相关波形，目前的设计流程主要是:先根据所需的发射能量函数优化出信号协方差矩阵；再根据这个协方差矩阵利用相位编码综合出所需的恒模信号波形。其公开的现有文献有以下两种:
[0003]l、Stoica Petre 和 Li Jian 等人在 “On probing signal design for MIMOradar, IEEE Trans, on Signal Processing, 2007，Vol, 55 (8)，4151-4161 ” 中提出一种有效地半正定规划(SDP)算法来设计信号的协方差矩阵,然后在“Waveform Synthesis forDiversity-Based Transmit Beampattern Design, IEEE Trans, on Signal Processing, 2008，Vol, 56(6)，2593-2598”中提出了循环算法，由协方差矩阵设计出了恒模的信号矩阵。这种方法合成的发射能量函数的峰值旁瓣电平较高，且在阵元较多的情况下，计算复杂度高。
[0004]2、胡亮兵等人在“ΜΙΜ0雷达发射方向图匹配和波形优化方法，西安电子科技大学学报(自然科学版)，2009，36 (6): 1021-1026”中采用半正定规划(SDP)来优化发射信号的协方差矩阵，然后基于该协方差矩阵，利用极小极大法通过优化波形相位设计出了连续相位编码的恒模发射信号。这种方法发射能量函数的峰值旁瓣电平较低，但同样存在计算复杂度较高的问题。
[0005]上述两种方法由于均采用相位编码而导致其多普勒容忍性较差，特别是当目标速度较大时，目标回波信号的脉冲综合处理将会严重失配，检测不到目标。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种多普勒容忍性较好的MMO雷达波形的设计方法，以减小目标回波信号的脉冲综合处理失配程度，实现对目标的准确检测。
[0007]实现本发明目的的技术思路是:利用线性调频信号的多普勒容忍性较好的特点，采用基于线性调频信号的频率编码波形，通过调整各波形频率间隔和初始相位，来满足发射能量函数接近理想发射能量函数、脉冲综合图的低距离旁瓣和发射方向函数的低角度旁瓣的要求，其技术方案包括如下步骤:
[0008](I)设MMO雷达天线的发射阵元个数为N，载频为&，单个波形的脉冲宽度为Te，N个波形的总带宽为B，且各单个波形的带宽Bs相同，固定N个波形中心频率fk的顺序，即^f2〈…<fN_!<fN,且将N个波形的初相％均设为O，其中k=l, 2，3，…，N ;
[0009](2)定义各波形频率间隔为Afm=fm+1-fm，设各波形频率间隔Afm均等于频率间隔初始变量△ &，并在O到ITe之间对频率间隔初始变量△ &进行搜索，找出满足发射能量函数的3dB带宽等于理想发射能量函数的3dB带宽要求的频率间隔初值Afc/，其中m=l, 2, 3,…，N-1 ；
[0010](3)在频率间隔初值Λ f/附近随机产生N-1个值，分别赋给波形频率间隔Λ fm，得到第I个信号的中心频率为f^fcTsmiK Λ fm) /2，第i个信号的中心频率&为A=U Δ fm,其中i=2, 3,…，N且m=1-l, sum O为求和运算；
[0011](4)根据频率间隔Afm、初相％，计算得到单个信号的带宽Bs=B_sum(A fm)，再由
μ =Bs/Te计算得到调频斜率μ，从而得到基带信号波形Sk为:
[0012]
【权利要求】
1.一种MIMO雷达波形的设计方法，包括如下步骤: (1)设MMO雷达天线的发射阵元个数为N，载频为&，单个波形的脉冲宽度为Te，N个波形的总带宽为B，且各单个波形的带宽Bs相同，固定N个波形中心频率fk的顺序，即讲2〈...<fN-1<fNJ且将N个波形的初相％均设为0，其中k=l, 2，3，…，N，N≥8 ; (2)定义各波形频率间隔为Afm=fm+1-fm，设各波形频率间隔Afm均等于频率间隔初始变量Λ f0,并在O到Ι/Te之间对频率间隔初始变量Λ f0进行搜索，找出满足发射能量函数的3dB带宽等于理想发射能量函数的3dB带宽要求的频率间隔初值Af/，其中m=l, 2, 3,…，N-1 ； (3)在频率间隔初值Afc/附近随机产生N-1个值，分别赋给波形频率间隔Afm，得到第I个信号的中心频率为^ftl-Sum(Afm)/2，第i个信号的中心频率&为A=U Afm，其中i=2, 3,…，N且m=1-l, sum O为求和运算； (4)根据频率间隔Afm、初相％，计算得到单个信号的带宽BS=B-Sum(Afm),再由μ =Bs/Te计算得到调频斜率μ，从而得到基带信号波形Sk为:Sk = exp(j2M(fk -/0)? + ]πμ(?-yy+ jpk) k = IX…’N， 其中，j为单位虚常数，t为O~Te内的L点采样时间，exp O为以自然常数e为底的指数函数； (5)根据基带波形信号％，得到信号协方差矩阵1?=%11，其中信号波形矩阵8=[81;82;...；Sk； *..; Sn],进而得到发射能量函数为:
P ( Θ ) =a ( Θ ) 1Ra ( Θ ) *, 其中 Θ 为-90 ~90 度范围的角度，a(0)=exp(j2Ji ((l:N)T-(N+l)/2)*d.*G/c*sin(0))为角度Θ的导向矢量，d为阵元半径，c为光速，中心频率向量0-为共轭运算，Ot为转置运算，.*为点乘运算符； (6)设发射波束主瓣方向为β，根据信号协方差矩阵R，得到发射方向函数:
f ( θ，β ) =a ( Θ ) TRa ( β ) *, 其中 a(i3)=eXp(j2Ji ((1:N)τ-(N+l) /2) *d.*G/c*sin ( β ))为发射波束主瓣方向的导向矢量； (7)设理想发射能量函数3dB带宽的角度范围内的任意一个目标的角度为Φ，由信号波形矩阵s得到回波信号sr=a ( φ) Ts，对该回波信号进行脉冲综合，得到脉冲综合处理后的信号St (Φ)为:
st ( Φ) =xcorr (a ( Φ) Ts), 其中 a(<i))=exp(j2 η ((1:Ν)τ-(N+l)/2)*d.*G/c*sin(<i)))为目标方向的导向矢量，xcorr O为自相关运算； (8)根据脉冲综合处理后的信号^(小)、发射方向函数€(0，β)、发射能量函数P ( Θ )，计算脉冲综合后信号的最大旁瓣幅度y2、发射方向函数的最大旁瓣增益y3、以及发射能量函数Ρ(θ)与理想发射能量函数Pt(0)的最大差值p，进而得到行向量X:
x=[a*y2, b*y3, c氺p]， 其中，a、b、c为大于O的三个不同系数，通过调整其大小满足波形性能的不同需求； (9)以频率间隔Afm、初相％作为输入，以行向量X为输出，得到代价函数:):、￥,?爪)=X.， (10)以各波形频率间隔Δ?；、初相％为变量，调用代价函数7(4/;?，％)，利用极小极大法进行优化，得到优化后的各波形频率间隔Λ f/和初相φ:，使其满足低距离旁瓣、低角度旁瓣，以及波形发射能量函数接近理想发射能量函数的需求； (11)用优化后的各波形频率间隔Afn/和初相‘，求得各波形的最终中心频率值f/、单个波形的最终带宽值Bs'及最终调频斜率值μ '，进而得到最终的各信号波形Sk':S: = exp(j.2?—, - f0 )t + ]πμ'(1-^-)2 +7%) k = \U。
2.根据权利要求1所述的MMO雷达波形的设计方法，其中步骤(2)所述的在O到ITe之间对频率间隔初始变量△ fo进行搜索，找出满足发射能量函数的3dB带宽等于理想发射能量函数的3dB带宽要求的频率间隔初值Λ f/，按如下步骤进行: 2a)在O到Ι/Te之间离散均匀的取Q个点的值，并将其由小到大排列为[h/ ,h^，...,V，…，V ]，其中 n=l, 2，…，Q ; 2b)令频率间隔初始变量Λ &等于第η个离散值hn'，根据频率间隔初始变量Aftl,由公式Bstl=B-(N-1) Afci计算单个信号的初始带宽Bstl，进而得到对应的初始调频斜率:μ 0=Bs0/Te ； 2c)根据频率间隔初始变量Aftl，计算每个信号的初始中心频率nk: nk=fcr(N-l)Af0/2+(k-l) Λ &，从而得到对应的初始基带信号波形为gk:gt = exp(j2^ijk - fa)t + ]πμ0(^-y)2+M) k = \,2,---,N\` 2d)根据每个初始基带信号波形gk，得到对应的初始信号协方差矩阵Ro=ggH，其中初始矩阵g= Iigjg2;…；gk;...;gN]，进而得到初始发射能量函数为: Po(0)=a' (0)TRoa' (θ)*, 其中 a' (0)=exp(j2 3i ((l:N)T-(N+l)/2)*d.*G, /c*sin( θ ))为角度 Θ 的初始导向矢量，初始中心频率向量G' =Iin1, η2)..., nk,..., nN]T ； 2e)找出初始发射能量函数Ptl(Q)的最大值Pn^madabMP^e)))，再求出方程abs(PQ( Θ ))=0.5*Pm的两个解Θ ^ θ2，其中θ ^ Θ 2，abs O为求模运算; 2f)由两个解Θ P Θ 2，计算求得第η个初始发射能量函数的3dB带宽Θ w(n)= θ 2- Θ工； 2g)比较每个频率间隔初始变量Aftl对应的初始发射能量函数的3dB带宽0w(n)与理想发射能量函数的3dB带宽的大小，将最接近理想发射能量函数3dB带宽的发射能量函数3dB带宽所对应的频率间隔初始变量Λ f0的值，作为所需要的频率间隔初值Λ f/。
3.根据权利要求1所述的MIMO雷达波形的设计方法，其中所述步骤(8)中计算脉冲综合后信号的最大旁瓣幅度y2，按如下步骤进行: 8a)在理想发射能量函数3dB带宽的角度范围内离散均匀取J个目标角度值，将其由小到大排列为[Φ/ ，Φ2' ，...，ΦΖ' ，...，Φ/ ]，其中ζ=1，2,…，J，并令目标角度Φ = ΦΖ/，则脉冲综合处理后的信号为Μ(ΦΖ')，进而得到目标角度所有离散值对应的脉冲综合处理后的信号矩阵: 8?=[3?(Φ1/ ) ；8?(Φ2/);…；8?(Φ/ )];8b)将脉冲综合处理后的信号矩阵St按行归一化，得到脉冲综合后归一化的信号矩阵Sg:
4.根据权利要求1所述的MIMO雷达波形的设计方法，其中所述步骤(8)中计算发射方向函数的最大旁瓣增益y3，按如下步骤进行: 8.1)在理想发射能量函数3dB带宽的角度范围内离散取M个角度值，并将其由小到大排列为[β/，iV，…，iV，…，iV ]，其中q=l，2，"％M，并令发射波束主瓣方向β=β/，则发射方向函数f(9，iV )=a(e)TRa(iV T，得到发射波束主瓣方向β所有离散角度值对应的发射方向函数矩阵:
5.根据权利要求1所述的MMO雷达波形的设计方法，其中所述步骤(8)中计算发射能量函数P( Θ )与理想发射能量函数Pt (Θ)的最大差值P，是先根据发射能量函数P(Θ)，计算发射能量函数的最大值:Pa=maX(abs(P(0)));再计算发射能量函数P( Θ )与理想发射能量函数Pt(0)的最大差值P:
【文档编号】G01S7/42GK103592642SQ201310499194
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年10月22日 优先权日:2013年10月22日
【发明者】赵永波, 杨金柱, 刘宏伟, 水鹏朗, 朱玉堂, 李慧 申请人:西安电子科技大学