一种应用于集中式MIMO雷达的自适应空时发射加权产生器的制作方法

本发明涉及雷达信号的处理技术领域，更特别地说，是指一种应用于集中式mimo雷达的自适应空时发射加权产生器。在所述自适应空时发射加权产生器中进行了集中式mimo雷达的空时发射权值的自适应产生。

背景技术：

2009年汤俊等人发表的论文《mimo雷达检测性能和系统配置研究》指出多输入多输出(multiple-inputmultiple-output，mimo)雷达是一种新概念雷达，其基本思想是：在系统中采用多个雷达发射机和多个接收机，各发射机发射不同的波形，各接收机同时接收多种波形，然后对接收信号进行融合处理，从而提高系统的检测和参数估计性能。根据天线结构的不同，mimo雷达可以分为两类：集中式mimo雷达和分布式mimo雷达，本发明针对集中式mimo雷达。

相比较于传统相控阵雷达，集中式mimo雷达优越的系统性能得益于各发射机可以发射不同的波形。为了提高集中式mimo雷达在不同工作环境下目标的检测性能，本领域学者针对发射波形设计开展了深入的研究工作，已有文献可以分为两大类：正交波形设计和基于波束形成的发射波形设计。基于波束形成设计的波形在一定程度上提高了系统的检测性能，但各发射机发射波形是部分相参的，未充分利用集中式mimo雷达的发射维空间自由度。常规正交波形设计方法仅仅考虑不同发射信号之间的正交性，而发射信号空时权值恒定，不能最优地适应雷达所面临的动态环境。通过设计合理外型、应用吸波材料等方法可以极大地降低战略战术目标的雷达散射截面积(radarcrosssection，rcs)(后文统称弱目标)，如隐身飞机，雷达动目标检测将面临相对较强的背景杂波环境，尤其针对系统自由度小的雷达系统，上述两类算法性能将受到限制。2012年张鑫等人发表的文章《基于联合收发权值优化的认知雷达mimo-stap》初步探索了空时收发权值的优化设计方法，但未考虑发射权值对接收信号的影响，限制了实际应用场合。

至今，国内外尚未有提出普适地应用于集中式mimo雷达的空时收发权值联合设计方法。

技术实现要素：

本发明的一种应用于集中式mimo雷达的自适应空时发射加权产生器，利用最优化理论和方法解决空时发射权值和空时接收权值最优联合设计问题，以空时发射权值和空时接收权值作为决策变量、以输出噪声功率作为目标函数、以输出信号功率恒定作为约束条件一、以输入信号功率恒定作为约束条件二，将在约束条件下最小化目标函数建模为约束最优化问题。在输入信号功率保持恒定和输出信号功率保持恒定约束下，最小化输出噪声功率表示雷达杂波抑制性能最强。将空时发射权值和空时接收权值同时作为决策变量限制在约束条件一，充分考虑了空时发射权值对接收信号的影响。考虑是否接收到雷达实际探测观测场景的信息，将上述最优化问题分解为两个子最优化问题：在已知空时发射权值时求解最优空时接收权值，在已知空时接收权值时求解最优空时发射权值。利用拉格朗日乘子法分别求得两个子最优化问题的最优解，即最优空时接收权值和最优空时发射权值。本发明应用自适应产生空时发射或接收权值，采用实时调整空时发射权值和空时接收权值，不断地自适应目标和动态环境(包括杂波和噪声)，从而提高抑制杂波性能。经过本发明设计的空时发射权值和空时接收权值加权后的集中式mimo雷达，可有效抑制强杂波，提高输出信噪比。

本发明设计的一种应用于集中式mimo雷达的自适应空时发射加权产生器，是将自适应空时发射加权产生器安装在空时自适应处理雷达的波形产生器和发射组件之间。自适应空时发射加权产生器产生的空时发射权值作用到空时自适应处理雷达的自适应加权产生器上。自适应空时发射加权产生器接收自动检波器输出的目标信息。

本发明使用带有自适应空时发射加权产生器的集中式mimo雷达进行的空时发射权值的自适应产生的方法，其特征在于包括有下列步骤：

步骤一：对被动模式下工作的雷达构建噪声特征的协方差矩阵；

步骤二：对主动模式下工作的雷达构建空时发射权值；

步骤三：采用最大似然估计方法训练得到杂波特性，即杂波协方差矩阵；

步骤四：利用拉格朗日乘子法求解在已知空时发射权值时的最优空时接收权值的子最优化问题；

步骤五：利用空时接收权值处理待检测单元方位—多普勒数据得到目标信息；

如果本发明步骤五中检测到目标，则得到目标的距离—方位—多普勒信息，利用步骤三中表示的杂波特征的协方差矩阵、步骤四中的空时接收权值和步骤五中的目标距离—方位—多普勒信息，通过步骤六获得输出的空时发射权值。

如果本发明步骤五中未检测到目标，则将上一帧雷达的空时发射权值赋值给当前帧空时发射权值，然后返回步骤三。

步骤六：利用拉格朗日乘子法求解在已知空时接收权值时的最优空时发射权值的子最优化问题。

本发明设计的带有自适应空时发射加权产生器的集中式mimo雷达的优点在于：

(1)将空时发射权值纳入为优化问题的决策变量，可以根据动态环境调整空时发射权值，使集中式mimo雷达处于更高性能的工作状态，提升杂波抑制性能。

(2)本发明的集中式mimo雷达设置了两个约束条件，是为了综合考虑空时发射权值对接收信号的影响，更加贴近雷达实际工作状态，普适性强。

(3)本发明的集中式mimo雷达采用的空时发射权值和空时接收权值均是解析解，系统复杂度低。

(4)本发明的集中式mimo雷达采用闭环反馈优化模式，具备线上实时更新空时权值的潜能。

附图说明

图1是传统的空时自适应处理雷达框图。

图2是本发明的带有自适应空时发射加权产生器的集中式mimo雷达的框图。

图2a是本发明自适应空时发射加权产生器的执行步骤流程图。

图3是本发明的改善因子随归一化多普勒频率变化的曲线图。

图4是本发明的输出信噪比随帧序号变化的曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

图1是传统空时自适应处理雷达框图，来源于2010年电子工业出版社出版的《雷达手册(第三版)》第126页，传统雷达处理方法没有空时发射权值自适应产生器，雷达抑制杂波能力弱。图2是添加了本发明设计的自适应空时发射加权产生器的空时自适应处理雷达的结构框图，添加了由接收系统反馈回发射系统感知信息的环节，实现了空时发射权值的自适应产生，提高了mimo雷达抑制杂波能力。图2中的发射机和接收机示例了双工工作模式，实际中可以采用收发分置的工作模式。图2a是本发明自适应空时发射加权产生器的执行步骤流程图，利用雷达接收的距离—方位—多普勒数据，估计动态环境中表示噪声和杂波特征的协方差矩阵，自适应产生空时接收权值，利用滤波后的距离—方位—多普勒数据估计目标的距离—方位—多普勒信息，并且结合空时接收权值自适应产生空时发射权值，雷达工作在闭环优化工作状态，实现更优秀的抑制杂波性能。

在本发明中，图2是将自适应空时发射加权产生器安装在传统空时自适应处理雷达的波形产生器和发射组件之间。

参见图2、图2a所示，本发明将应用于集中式mimo雷达的自适应空时发射加权产生器进行空时发射权值的自适应产生的过程包括有下列步骤：

步骤一：对被动模式下工作的雷达构建噪声特征的协方差矩阵；

设置雷达工作在被动模式下，采集到的距离—方位—多普勒数据仅为噪声信息，记为数据矩阵n。所述数据矩阵n的维度为ghk×l，其中g表示发射机数目，h表示接收机数目，k表示时间采样数目，l表示距离单元数目。在本发明中利用距离—方位—多普勒数据来估计表示噪声特征的协方差矩阵，记为其中n^h表示数据矩阵n的共轭转置。

在本发明中，利用噪声信息构建是为了满足空时发射权值中涉及的杂波特性。

步骤二：对主动模式下工作的雷达构建空时发射权值；

设置雷达工作在主动模式下，雷达照射任意一块观测区域，设置发射机出射的发射信号的空时发射权值，记为wt，则有；

a1表示第一空时发射通道的权值；a2表示第二空时发射通道的权值；agk表示最后空时发射通道的权值；g表示发射机数目；k表示时间采样数目。

在本发明中，当雷达工作在主动模式下的首次照射任意一块观测区域，则发射信号的空时发射权值，记为wt0；由于是首次进行观测区域的照射，因此wt0中的空时发射权值都赋值为1，则有；

步骤三：采用最大似然估计方法训练得到杂波特性，即杂波协方差矩阵；

正常工作的雷达，当发射机出射的发射信号经过地面场景反射后被雷达数字接收机采集为距离—方位—多普勒数据，记为数据矩阵z。为方便阐述，将距离—方位—多普勒数据表示为不同距离单元方位—多普勒数据的矢量组合矩阵形式，记为zghk×l；

zghk×l＝[z1,z2,…,zl]ghk×l(3)

z1表示第1个距离单元的方位—多普勒数据；z2表示第2个距离单元的方位—多普勒数据；zl表示距离单元序号等于距离单元数目l的方位—多普勒数据；g表示发射机数目；h表示接收机数目；k表示时间采样数目；l表示距离单元数目。

假设待检测距离单元集为bl待检测，任意一个待检测距离单元记为l0，表示第l0个距离单元的方位—多普勒数据；将作为最大似然估计训练的距离单元称为训练单元，多个训练单元组成一个训练集，记为bl训练；任意一个训练单元记为l；l∈{1,2,…,l}、l0∈{1,2,…,l}且zl表示第l个距离单元的方位—多普勒数据。在本发明中利用训练单元数据估计待检测单元表示杂波特征的协方差矩阵，记为cc；

表示zl的共轭转置；cn表示噪声特征的协方差矩阵。

步骤四：利用拉格朗日乘子法求解在已知空时发射权值时的最优空时接收权值的子最优化问题；

在本发明中，为了获得图2数字波束形成器涉及的目标与发射机之间的相对方位信息，构建空间发射导向矢量，记为sst；

表示虚数单位；fst表示归一化空间发射频率；g表示发射机数目；表示以自然对数e为底、以j2πfst为变量的对数函数值；表示以自然对数e为底、以j2πfst(^g-1)为变量的对数函数值。

在本发明中，为了获得图2数字波束形成器涉及的目标与接收机之间的相对方位信息，构建空间接收导向矢量，记为ssr；

fsr表示归一化空间接收频率；h表示接收机数目；表示以自然对数e为底、以j2πfsr为变量的对数函数值；表示以自然对数e为底、以j2πfsr(^h-1)为变量的对数函数值。

在本发明中，为了获得图2多普勒滤波器组涉及的目标与雷达之间的相对多普勒信息，构建时间导向矢量，记为sd；

fd表示归一化多普勒频率；k表示时间采样数目；表示以自然对数e为底、以j2πfd为变量的对数函数值；表示以自然对数e为底、以j2πfd(^k-1)为变量的对数函数值。

在本发明中，为了表示传统空时自适应雷达中未被空时发射权值加权的发射信号，构建空时发射导向矢量，记为其中表示kronecker积。为了充分考虑空时发射权值对接收信号的影响，构建空时发射权值加权的空时接收导向矢量，记为其中⊙表示hadamard积。在本发明中利用训练单元数据估计待检测距离单元表示杂波加噪声特征的协方差矩阵，记为cq。

在本发明中，将图2中自适应加权产生器产生的空时接收权值记为wr。利用拉格朗日乘子法求解在已知空时发射权值时求解最优空时接收权值的子最优化问题，即以wr为决策变量、以wr^hcqwr为目标函数、以wr^hsr＝1为约束条件一，利用首次照射时信号输入功率构建的约束条件二，即wt^hst＝p，p表示目标方向发射信号的幅度，其中p将利用目标信息予以赋值，所以约束条件二已经满足，最小化输出噪声功率求得最优空时接收权值wr。

cq^-1表示cq的逆矩阵，wr^h表示wr的共轭转置，wt^h表示wt的共轭转置，sr^h表示sr的共轭转置。

步骤五：利用空时接收权值处理待检测单元方位—多普勒数据得到目标信息；

在本发明中，利用空时接收权值加权处理待检测单元方位—多普勒数据，处理结果记为即遍历归一化空间发射频率和归一化空间接收频率构建图2中数字波束形成器，遍历归一化多普勒频率构建图2中多普勒滤波器组，图2中自动检波器将判决是否检测到目标，并输出目标信息。如果检测到目标，则得到了目标信息，即获得了目标的空时接收导向矢量，记为tr，相应的空时发射导向矢量记为tt，相应的空间接收导向矢量记为tsr，且有如下展开形式：

τsr,1表示空间接收导向矢量第1个分块；τsr,2表示空间接收导向矢量第2个分块；τsr,i表示空间接收导向矢量第i个分块；i表示分块标识号，且i∈1，2，…，h；τsr,h表示空间接收导向矢量序号等于接收机数目h的分块。

如果本发明步骤五中检测到目标，则得到目标的距离—方位—多普勒信息，利用步骤三中表示的杂波特征的协方差矩阵、步骤四中的空时接收权值和步骤五中的目标距离—方位—多普勒信息，通过步骤六获得输出的空时发射权值。

如果本发明步骤五中未检测到目标，则将上一帧雷达的空时发射权值赋值给当前帧空时发射权值，然后返回步骤三。

步骤六：利用拉格朗日乘子法求解在已知空时接收权值时的最优空时发射权值的子最优化问题；

如果第五步检测到目标，则当前帧雷达发射信号时将按照下面的方式更新空时发射权值。

在本发明中，以约束条件一wr^hsr＝1和目标函数wr^hcqwr来显示表达决策变量空时发射权值wt的函数关系，以简化求解空时发射权值的复杂度，将步骤四的空时接收权值wr表示为分块矢量形式；

ωr1表示分块序号1的滤波器系数，是一个gk×1维矩阵；

ωr2表示分块序号2的滤波器系数，是一个gk×1维矩阵；

ωri表示分块序号i的滤波器系数，是一个gk×1维矩阵；

ωrh表示分块序号等于接收机数目h的滤波器系数，是一个gk×1维矩阵。

在本发明中，为了将空时发射权值对杂波特性的影响显示化地表征出来，在分块矢量形式的基础上进一步构建矩阵，记为f；

其中g表示发射机数目，h表示接收机数目，k表示时间采样数目；

表示一个gk×gk维对角阵，且对角元素为列矢量的元素；表示ωr1的共轭，上标conjugate为共轭标识；

表示一个gk×gk维对角阵，且对角元素为列矢量的元素；表示ωr2的共轭，上标conjugate为共轭标识；

表示一个gk×gk维对角阵，且对角元素为列矢量的元素；表示ωrh的共轭，上标conjugate为共轭标识。

为了普适性的表示空时发射权值对杂波特性的影响显示化地表征出来，任意一个接收机数目记为i，i∈h，则有表示ωri的共轭，上标conjugate为共轭标识。

在本发明中，构建空时接收权值加权的表示杂波特性的等效杂波协方差矩阵，记为cω＝fccf^h。

为后续表述方便，记等效信号一为等效信号二为s2＝tt^conjugate，tt^conjugate表示tt的共轭，已知空时接收权值时求解最优空时发射权值的子最优化问题转化为以wt为决策变量、将目标函数wr^hcqwr显示表达则为(wt^conjugate)^hcω(wt^conjugate)、将约束条件一wr^hsr＝1显示表达则为将约束条件二wt^hst＝p显示表达则为的最优化问题，将p赋值为表示ogk的共轭转置，ogk表示元素均等于1的gk维列矢量，利用拉格朗日乘子法最小化输出噪声功率求得当前帧的最优空时发射权值wt当前帧。

d表示求解拉格朗日乘子的线性方程组系数矩阵；

d11表示d的第(1,1)个元素；

d12表示d的第(1,2)个元素；

d21表示d的第(2,1)个元素；

d22表示d的第(2,2)个元素；

表示s1的共轭转置；

表示s2的共轭转置。

在初始化定义了步骤一和步骤二的本发明的带有自适应空时发射加权产生器的集中式mimo雷达中，对于每帧发射信号的空时发射权值按照步骤三至步骤六的操作顺序执行。本发明设计的集中式mimo雷达利用上一帧获得的目标和动态环境信息不断的调整当前帧空时发射权值和空时接收权值，以最大化地抑制杂波。

实施例1

以表1的仿真条件进行集中式mimo雷达的杂波抑制仿真。

表1仿真参数

为了充分验证本发明，依照上表所列仿真参数进行仿真实验，如图3、图4所示。

图3所示为改善因子随归一化多普勒频率变化的仿真实验，设置平台和目标为初始状态(包括距离和速度等)，按照本发明步骤执行空时发射权值和空时接收权值的闭环更新，分析本发明的收敛速度。引入改善因子表征带有自适应空时发射加权产生器的集中式mimo雷达的性能，改善因子定义为输出端和输入端信噪功率比的比值。在图3中比对不同迭代次数结果和传统处理之间的差异，不难发现，本发明收敛速度很快，而且本发明处理结果明显优于传统处理结果。

图4所示为输出信噪比随帧序号变化的仿真实验，依照上表所列仿真参数设置平台和目标，仿真中平台和目标按照仿真参数运动起来，按照本发明步骤自适应产生空时发射权值和空时接收权值完成杂波抑制，由图可见，本发明方法处理结果明显优于传统处理结果，当算法收敛后，输出信噪比提高达14db，而且本发明收敛速度非常快，经过4帧便收敛进入最优工作状态，具备线上实时处理的潜能。