本发明属于雷达系统技术领域，具体涉及基于俯仰mimo的低空目标探测宽带雷达系统及其阵列优化方法。
背景技术：
宽带雷达能提供丰富的目标信息，具有较高的目标检测和识别能力，抗杂波、抗干扰能力强。相控阵雷达可以进行快速电子扫描，同时可以利用自适应波束形成技术形成零点，进行干扰抑制，性能远优于传统雷达，但付出了成本高、功耗大、技术要求高等代价。
在使用雷达探测低空目标时，由于近地面阻碍物多，受到大量的地面物体雷达反射干扰与阻挡，因此在雷达的低空探测领域内，探测效率和精度受到制约。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了基于俯仰mimo的低空目标探测宽带雷达系统及其阵列优化方法，结合频率相位复合编码合成宽带信号处理技术以及稀疏mimo阵列信号处理技术，可以实现对低空目标的高效和高精度探测，。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于俯仰向mimo体制的低空目标探测宽带雷达系统，包括天线分系统、收发组件分系统、射频信道分系统、波形产生分系统、频综分系统、信号处理分系统以及显控终端分系统。
天线分系统采用俯仰向六通道稀疏多输入输出mimo阵列。
波形产生分系统通过数模转换dac播放板卡产生出六通道中频信号，该中频信号形式采用频率相位复合编码信号，即通过频率编码及相位编码，保证各通道中频信号之间的正交性；六通道中频信号进入频综分系统。
频综分系统对六路频率相位复合编码正交信号进行上变频，六路频率相位复合编码正交信号上变频后的频率符合收发组件分系统的收发频率，上变频后的信号发送至射频信道分系统。
射频信道分系统将上变频后的信号转换为射频信号发送至收发组件分系统。
收发组件分系统将射频信号通过天线分系统发射出去，形成发射波束，收发组件分系统同时通过天线分系统接收目标的回波信号，并将回波信号通过射频信道分系统发至频综分系统。
频综分系统对回波信号进行下变频，回波信号下变频后的频率符合信号处理分系统的工作频率，下变频后的回波信号发送至信号处理分系统。
信号处理分系统对回波信号进行处理获得一维距离像和一次点迹；信号处理分系统接收线控终端的控制指令，在控制指令的控制下将一维距离像和一次点迹发至显控终端进行显示。
进一步地，基于权利要求1俯仰向mimo体制的低空目标探测宽带雷达系统，其中的六通道系数mimo阵列中采用模拟退火算法完成阵列中各阵元的位置优化，寻优准则是方向图没有栅瓣并且峰值旁瓣电平满足系统要求。
包括如下步骤：
步骤1、设置阵列坐标边界，给定波束指向的初始值；
步骤2、在当前波束指向下利用模拟退火算法，以阵列方向图峰值旁瓣比为优化函数，确定优化的阵元坐标。
对优化的阵元坐标，引入广义升余弦函数，采用模拟退火方法优化广义升余弦函数的系数，使得利用优化后的广义升余弦函数计算出的当前波束指向的方位图的峰值旁瓣比满足预设的要求，确定优化后的广义升余弦函数。
步骤3、判断当前波束指向下优化的阵元坐标中，阵元坐标间距是否满足系统要求，不满足则舍弃该阵列坐标位置优化的结果，重新设置波束指向当前值，返回步骤2，否则进入步骤4。
步骤4、利用优化后的广义升余弦函数计算所有波束指向下的权矢量，并得到对应该波束指向下的方向图，计算方向图峰值旁瓣比，若所有波束指向下对应的方向图峰值旁瓣比均满足预设的要求则以优化的阵元坐标作为阵元位置部署结果，否则返回步骤2。
以阵元位置部署结果对六通道系数mimo阵列进行阵元位置设置。
进一步地，步骤2中的广义升余弦函数具体为：
win(v)＝(1-a)-acos[2π(v-1)/(n-1)],0≤a≤0.5
其中，win(*)表示阵元v对应的方向图权矢量的加窗函数，n表示阵元个数，v表示当前阵元序号，a表示窗函数优化参数。
步骤4中的权矢量为：
w＝[r-1α(θ0)]·win
其中θ0表示波束指向，r表示阵列的干扰噪声协方差矩阵，α(θ0)表示当前波束指向下的目标导向矢量，·表示点乘。
有益效果：
1、本发明提供了基于俯仰向mimo体制的宽带雷达系统，利用频率相位复合编码合成宽带信号实现距离高分辨、杂波抑制。利用俯仰向的稀疏mimo阵列技术形成虚拟阵元，降低系统成本。利用基于mimo的自适应波束形成技术产生天线方向图零陷，对地杂波及干扰进行抑制。本系统所采用的频率相位复合编码信号、自适应波束形成技术，均可以对低仰角下进入雷达接收机的地杂波进行有效地抑制，提高低空目标信杂比，因此能够实现对低空目标的高效精确探测。
2、本发明中针对上述宽带雷达系统采用改进的阵列优化方法进行阵元位置部署，在寻优阵元坐标的基础上同时寻优合适的广义升余弦函数的系数，进一步降低方向图的峰值旁瓣比从而使得不同角度的方向图旁瓣电平都处在合理范围内。
附图说明
图1是基于俯仰向mimo体制的低空目标探测宽带雷达系统框图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
实施例1：如图1所示，本发明是一种基于俯仰向mimo体制的低空目标探测宽带雷达系统，采用俯仰向六通道稀疏多输入输出mimo阵列，主要可用于低空目标探测，如机场附近的鸟情探测。本系统由天线分系统、收发组件分系统、射频信道分系统、波形产生分系统、频综分系统、ac/dc电源分系统、伺服转台分系统以及信号处理分系统、显控终端分系统等组成。波形产生分系统通过dac板卡产生六路频率相位复合编码正交信号，经频综分系统、射频信道分系统上变频，产生六路射频信号。收发组件分系统中的t/r组件将射频信号送至天线分系统，形成发射波束。来自目标的回波经天线分系统、收发组件分系统接收，射频信道分系统下变频后，得到中频信号。信号处理分系统的主要处理包括a/d转换、数字下变频、脉冲压缩，数字波束形成、pd处理、mti、mtd、二维cfar、单脉冲测角、一次点迹形成等处理，并将处理得到的一维距离像和一次点迹送给显控终端。信号处理分系统通过千兆网与显控终端连接，可以方便组网，将雷达工作状态、一次点迹上报显控终端，并接收来自显控终端的控制命令等。显控终端通过网络控制完成雷达操作、数据处理(二次点迹)、表值计算、目标与信息显示、三d地图背景显示、覆盖区域显示等任务。
进一步优化的实施例为雷达系统采用频率相位复合编码信号具有良好的距离和多普勒分辨性能。该信号具有较窄的瞬时带宽，可以在窄带发射机、接收机的条件下工作，易于工程实现。频率相位复合编码信号回波中不存在距离模糊、杂波折叠现象，提高了远距离小目标的探测能力。
雷达系统采用mimo雷达稀疏阵列技术。不同发射阵元发射正交信号，可以在接收端通过匹配滤波对发射的正交信号匹配分离，形成虚拟发射-接收波束。采用模拟退火算法完成阵列中各阵元的位置优化，寻优准则是方向图没有栅瓣并且峰值旁瓣电平满足系统要求，从而用尽可能少的阵元来实现期望的方向图，减小主瓣宽度展宽，同时抑制旁瓣，降低系统成本。
普通模拟退火方法，在不考虑通道加权的情况下，通过调整中间阵元的位置(两端阵元放置在两端保证阵列口径)，使阵列方向图的峰值旁瓣比最低。其优化流程如下：
1、设置阵列坐标边界，给定初始波束指向；
2、在该波束指向下利用传统模拟退火算法，以阵列方向图峰值旁瓣比为优化函数，完成该指向下阵列坐标位置优化；
3、考虑到实际天线尺寸大小，若阵元坐标间距不满足要求则舍弃，重复2；
4、经过3处理后的阵元排布是物理可实现的坐标，此时换一组波束指向并以此坐标计算方向图峰值旁瓣比，若大于预设门限，则重复2，重新优化阵列坐标；得到一组合适的阵元坐标位置。
结合低空目标探测的实际应用背景，具体实现时需在一定角度范围内遍历寻优最佳阵列排布，但是理论上某一波束指向存在很多组最优解或者次优解，这些解不一定适用于其他波束指向，这就需要添加步骤4来不断的筛选最优解。除此之外，提出一种新的解决方法，在寻优阵元坐标的基础上同时寻优合适的加窗函数，进一步降低方向图的峰值旁瓣比从而使得不同角度的方向图旁瓣电平都处在合理范围内。具体做法为把步骤2修正为考虑优化函数为方向图峰值旁瓣比的同时，引入参数可变的广义升余弦函数，模拟退火算法不仅优化阵元坐标，还会优化该窗函数的参数。随后重复步骤3、4，最终得到一组阵列坐标和对应的加权函数。
这样上述优化流程可以表示为：
包括如下步骤：
步骤1、设置阵列坐标边界，给定波束指向的初始值。
步骤2、在当前波束指向下利用模拟退火算法，以阵列方向图峰值旁瓣比为优化函数，确定优化的阵元坐标。
对优化的阵元坐标，引入广义升余弦函数，采用模拟退火方法优化广义升余弦函数的系数，使得利用优化后的广义升余弦函数计算出的当前波束指向的方位图的峰值旁瓣比满足预设的要求，确定优化后的广义升余弦函数。
步骤3、判断当前波束指向下优化的阵元坐标中，阵元坐标间距是否满足系统要求，不满足则舍弃该阵列坐标位置优化的结果，重新设置波束指向当前值，返回步骤2，否则进入步骤4。
步骤4、利用优化后的广义升余弦函数计算所有波束指向下的权矢量，并得到对应该波束指向下的方向图，计算方向图峰值旁瓣比，若所有波束指向下对应的方向图峰值旁瓣比均满足预设的要求则以优化的阵元坐标作为阵元位置部署结果，否则返回步骤2。
以阵元位置部署结果对六通道系数mimo阵列进行阵元位置设置。
广义升余弦函数具体为：
win(v)＝(1-a)-acos[2π(v-1)/(n-1)],0≤a≤0.5
其中，win(*)表示阵元v对应的方向图权矢量的加窗函数，n表示阵元个数，v表示当前阵元序号，a表示窗函数优化参数；；
权矢量为：
w＝[r-1α(θ0)]win
其中θ0表示波束指向，r表示阵列的干扰噪声协方差矩阵，α(θ0)表示当前波束指向下的目标导向矢量，·表示点乘。
进一步优化的实施例为雷达系统采用针对mimo体制自适应波束形成技术，进行基于线性约束的宽固定零陷波束形成算法及基于锥化矩阵处理的零陷展宽波束形成算法设计，有效抑制低仰角条件下地杂波，提高低空目标检测性能。
综上，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。