提高mimo-stap检测性能的稳健波形优化方法
【专利摘要】本发明公开了一种提高MIMO-STAP检测性能的稳健波形优化方法，步骤包括：（1）建立MIMO-STAP模型（2）针对空时频导向矢量存在估计误差的场景，建立实际空时频导向矢量模型，据此表述稳健波形优化问题；（2）对应用对角加载方法，将稳健波形优化问题松弛为SDP问题，从而可以利用诸多成熟优化工具箱获得高效求解。本发明所提出的稳健波形优化方法考虑了求解波形优化问题所需参数存在估计误差时的稳健设计问题，更贴近于实际场景，因而更具有较高的实用价值，并且利用对角加载方法将此稳健优化问题松弛为SDP问题，从而可以获得高效求解。
【专利说明】提高MIMO-STAP检测性能的稳健波形优化方法
【技术领域】
[0001]本发明属于信号处理领域，更进一步涉及用以提高MMO-STAP检测性能的稳健波形优化方法。基于通过设计发射波形最大化输出信干噪比(SINR)以改善系统检测性能的思想，所提方法考虑了优化波形所需参数存在估计误差从而造成系统性能对此估计误差敏感的问题。通过将参数估计误差显式地包含到波形优化问题中，对发射波形以及参数估计误差进行联合优化，从而改善波形优化方法的稳健性能。该方法可以显著提高最坏情况下的系统检测性能，从而可显著降低波形优化方法对参数估计误差的敏感性，因而具有较好的工程实用性。
【背景技术】
[0002]目标检测是雷达系统的一项基本任务。为改善系统检测性能，在相控阵系统中，研究人员基本上把注意力放在接收端，即研究如何利用加权的方法提高系统检测性能，而对发射端基本不做过多考虑。随着MMO雷达成为越来越多研究人员关注的焦点，一些学者开始研究基于MMO雷达的目标检测。经过最近几年的研究，MIMO雷达相对于相控阵雷达在目标检测上的优势逐渐为人们所认识，这种优势来自于波形分集在统计MMO雷达系统中的性能类似于MMO通信中衰落信道上的多径分集，从而能够显著提高系统的检测性能。然而，与传统的相控阵雷达相似，近年来，多数研究人员主要通过对MMO雷达接收端的处理来提高系统检测性能，而对于发射端，则只简单要求发射不相关波形(或者正交波形)。通过发射端或者发射端与接收端联合处理以改善检测性能的研究则甚少见诸于文献。B.Friedlander首先研究了发射波形对系统检测性能的影响，并以输出信干噪比(SINR)为目标函数，利用基于梯度的方法以及其他几类次优方法优化波形以最大化输出SINR，从而改善系统检测性能。需要指出的是，此文献中基于梯度的方法需要考虑步长选择，并且不能保证迭代的每一步中SINR非递减，因而所提方法不能保证收敛。针对此问题，C.Y.Chen等提出一种新的迭代方法对发射波形以及接收滤波器进行联合优化。此方法能够保证收敛，并且能够确保在迭代的每一步，目标函数值非递减。
[0003]空时自适应处理(STAP)是从上个世纪九十年代初发展起来的，用于对机载雷达(airborne radar)数据进行处理的技术。STAP技术在军事和民用中都有着广泛的应用，t匕如，地质监测，预警，地面动目标检测(GMTI )，动目标检测(MTI )，区域侦查等。对于传统的相控阵雷达，STAP基础理论研究已相当成熟。许多用于改善STAP复杂性以及收敛性的算法业已被提出。这些算法稍微经过修改就可以应用于MMO雷达。D.ff.Bliss以及K.W.Forsythe提出了 MMO-STAP的概念。由于MMO-STAP是最近几年才提出的新概念，相关的文献还比较少。C.Y.Chen等人提出一种新的估计杂波子空间的方法，此方法利用了问题的几何特点以及干扰协方差矩阵特殊的块对角结构，从而与全域自适应方法相比可以显著降低计算复杂度。在一般发射波形的场景下，Wang G.等深入研究了 MIM0-STAP的杂波秩与发射波形的关系，并给出确定杂波秩的准则。
[0004]虽然B.Friedlander以及C.Y.Chen通过优化发射波形提高MMO雷达的检测性能，然而并没有将此思想应用于MMO-STAP中。而Wang G.虽然对MMO-STAP进行了较为深入的研究，然而也仅限于接收端的数据处理。针对此问题，我们在之前已经较为深入研究了通过波形优化提高MMO-STAP检测性能。
[0005]需要指出的是，通过设计波形提高系统检测性能的优化问题的求解需要目标参数的确切值，比如目标位置，多普勒频率等。然而，在实际环境中，这些参数只能通过估计得到，因而不可避免的存在误差。因此，在实际应用中，基于某个估计值，所得到的波形可能会导致系统在实际参数值上得到较差的检测性能，即对参数估计误差比较敏感。针对此问题，本发明考虑了提高MMO-STAP检测性能的稳健波形优化。
【发明内容】
[0006]基于以上不足，本发明考虑了用以提高MMO-STAP检测性能的稳健波形优化方法。此方法通过将参数估计误差显式地包含到波形优化问题中，对发射波形以及参数估计误差进行联合优化，从而改善波形优化方法的稳健性能。该方法可以显著提高最坏情况下的系统检测性能，从而可显著降低波形优化方法对参数估计误差的敏感性，因而具有较好的工程实用性。
[0007]实现本发明的基本思路表述如下:假设空时频导向矢量I不确知，但存在于一确知的凸紧支集内，通过将此参数估计误差显式地包含到波形优化问题中，对发射波形以及参数估计误差进行联 合优化，最大化最差情况下的输出信干噪比(SINR)，从而得到提高MIM0-STAP检测性能的稳健优化波形问题的数学模型。由于此联合优化问题是关于发射波形以及参数估计误差的复杂非线性最大最小问题，因而非常难以求解。为此，我们首先考虑
内层优化问题，可知由于当真实空时导向矢量^位于对应于矩阵+最小
特征值的特征矢量所指方向时，就会出现MMO-STAP检测性能最差的情况，由此可求解内
层优化问题，而后，利用对1^应用对角加载方法，可将外层波形优化问题转化为SDP问题，
从而可获得高效求解。具体步骤包含如下:
(I)表述输出SINR
la) MMO-STAP接收信号描述
考虑如说明书附图之图1所示MMO-STAP场景。此场景中，MMO雷达的发射阵列和接收阵列均为均匀线阵，且平行放置，阵元数分别力Jf和况，阵元间距分别为4和《4。雷达平台沿平行于发射、接收阵列的方向匀速直线飞行，飞行高度和速度分别为A和V。目标沿与发射、接收阵列法线夹角为马的直线匀速运动，速度为K，且与雷达平台处于同一平面。在一个相干处理间隔(CPI)内，各发射阵元同时辐射由I个脉冲组成的脉冲串波形，且脉冲重复间隔(PRI)为F。将距离环离散化为外(巧0 个小单元，则第i个PRI内的接收数据可表示为:
式中，b=[iy.2艰气-?掌-1Xjr和h=[iy切气…y2_-w"]r分别表示目标以及位于4的杂波发射导向矢量
【权利要求】
1.提高MIMO-STAP检测性能的稳健波形优化方法，包括如下步骤: (I)表述输出SINR la) MMO-STAP接收信号描述 MMO雷达的发射阵列和接收阵列均为均匀线阵，且平行放置，阵元数分别为M和况，阵元间距分别为A和A ,雷达平台沿平行于发射、接收阵列的方向匀速直线飞行，飞行高度和速度分别为A和I目标沿与发射、接收阵列法线夹角为马的直线匀速运动，速度为η,且与雷达平台处于同一平面，在一个相干处理间隔(CPI)内，各发射阵元同时辐射由￡个脉冲组成的脉冲串波形，且脉冲重复间隔(PRI)为T，将距离环离散化为iVM￡)个小单元，则第f个PRI内的接收数据可表示为:
【文档编号】G01S7/02GK103852749SQ201410039785
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年1月28日 优先权日:2014年1月28日
【发明者】王洪雁, 裴炳南, 汪祖民, 刘艳, 裴腾达 申请人:大连大学