雜波中檢測(cè)目標(biāo)用mimo雷達(dá)發(fā)射波形的分級(jí)設(shè)計(jì)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于雷達(dá)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及集中式MIMO(Multiple?Input?Multiple?Output)雷達(dá)的發(fā)射波形設(shè)計(jì)，公開(kāi)了一種雜波中檢測(cè)目標(biāo)用MIMO雷達(dá)發(fā)射波形的分級(jí)設(shè)計(jì)方法，能夠提高雜波的抑制性能，可用于強(qiáng)雜波中的目標(biāo)檢測(cè)；其包括以下步驟：步驟1，建立MIMO雷達(dá)信號(hào)模型，獲取雜波在空域上的強(qiáng)度以及在時(shí)間域上的主瓣響應(yīng)先驗(yàn)知識(shí)；步驟2，基于雜波在空域上的強(qiáng)度先驗(yàn)知識(shí)，設(shè)計(jì)發(fā)射信號(hào)的自相關(guān)矩陣Rx；步驟3，聯(lián)合優(yōu)化主瓣合成信號(hào)（Mainlobe?Synthesized?Signal，MSS）和失配濾波器來(lái)抑制主瓣雜波信號(hào)；步驟4，在恒模條件約束下，設(shè)計(jì)發(fā)射波形矩陣。
【專(zhuān)利說(shuō)明】雜波中檢測(cè)目標(biāo)用MIMO雷達(dá)發(fā)射波形的分級(jí)設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于雷達(dá)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及集中式MIM0(Multiple Input Multiple Output)雷達(dá)的發(fā)射波形設(shè)計(jì)，特別涉及一種雜波中檢測(cè)目標(biāo)用MMO雷達(dá)發(fā)射波形的分級(jí)設(shè)計(jì)方法，能夠提高雜波的抑制性能，可用于強(qiáng)雜波中的目標(biāo)檢測(cè)。
【背景技術(shù)】
[0002]在傳統(tǒng)雷達(dá)中，發(fā)射波形通常是固定的。因此，接收到的信號(hào)是適應(yīng)電磁環(huán)境的唯一來(lái)源，這會(huì)限制系統(tǒng)在復(fù)雜的傳播和干擾環(huán)境下的性能。然而基于先驗(yàn)知識(shí)的雷達(dá)發(fā)射波形設(shè)計(jì)方法可以提高整個(gè)系統(tǒng)的靈活性，從而可以在復(fù)雜的傳播和干擾環(huán)境下得到滿(mǎn)意的性能。在雜波區(qū)域中檢測(cè)目標(biāo)，雜波相對(duì)于系統(tǒng)熱噪聲占主要地位。在輸出信號(hào)能量與雜波能量比(Signal to Clutter Ratio, SCR)低的情況下,我們很難得到滿(mǎn)意的檢測(cè)性能，特別是針對(duì)低速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)。此時(shí)，增加發(fā)射信號(hào)的能量對(duì)提高檢測(cè)性能是沒(méi)有效果的，唯一的方法就是設(shè)計(jì)發(fā)射的波形。
[0003]受通信領(lǐng)域中MMO技術(shù)及綜合脈沖孔徑雷達(dá)SIAR的啟發(fā)，2003年Rabideau和 Parker 提出了 MIMO 雷達(dá)概念，見(jiàn)[Rabideau D.J.and Parker P..Ubiquitous ΜΙΜΟMultifunction Digital Array Radar[C].Conference Record of the37th AsilomarConference on Signals, Systems and Computers, 2003，vol.1，pp.1057-1064]。之后，這一概念在雷達(dá)領(lǐng)域引起了人們的廣泛關(guān)注。根據(jù)發(fā)射天線和接收天線的間距大小，可以將MMO雷達(dá)分為分布式MMO雷達(dá)和集中式MMO雷達(dá)兩類(lèi)。對(duì)于分布式MMO雷達(dá)來(lái)說(shuō)，由于各個(gè)天線對(duì)目標(biāo)有不同的觀測(cè)視角以及目標(biāo)回波的獨(dú)立性，在統(tǒng)計(jì)意義下，這類(lèi)MIMO雷達(dá)可以克服目標(biāo)的閃爍效應(yīng)從而提高雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)性能。對(duì)于集中式MIMO雷達(dá)來(lái)說(shuō)，其特點(diǎn)是陣元間距較小，具有自由地設(shè)計(jì)每副天線波形的能力。與相控陣?yán)走_(dá)相比，集中式MMO雷達(dá)的自由度提高了，從而集中式MMO雷達(dá)呈現(xiàn)出更多的優(yōu)越性，如參量分辨力的提高、更自由的發(fā)射方向圖設(shè)計(jì)能力等，見(jiàn)[Li J.and Stoica P..MIMO Radar WithColocated Antennas[J].1EEE Signal Processing Magazine, Sep.2007, vol.24, pp.106-114]。因此，可以通過(guò)設(shè)計(jì)集中式MIMO雷達(dá)每個(gè)陣元的發(fā)射波形，從而提高它在目標(biāo)檢測(cè)、跟蹤與識(shí)別上的系統(tǒng)性能。
[0004]由于MMO雷達(dá)可以通過(guò)各陣元發(fā)射不同的信號(hào)，從而獲得某種實(shí)際需要的方向圖，為此根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)發(fā)射波形成為必需。目前發(fā)射波形設(shè)計(jì)的主要方法有正交波形設(shè)計(jì)、發(fā)射方向圖的波形設(shè)計(jì)以及基于先驗(yàn)知識(shí)的波形設(shè)計(jì)。
[0005]正交波形設(shè)計(jì)是MMO雷達(dá)波形設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，它主要考慮波形的自相關(guān)和互相關(guān)性質(zhì)。然而，正交波形的發(fā)射方向圖是各向同性的。與相控陣?yán)走_(dá)相比，主瓣增益損失可能會(huì)降低正交波形的MIMO雷達(dá)性能，這限制了正交波形的應(yīng)用。
[0006]在給定期望的發(fā)射方向圖下，Petre Stoica和Jian Li提出了在恒模約束下的波形優(yōu)化設(shè)計(jì)算法。具體設(shè)計(jì)方法是先設(shè)計(jì)發(fā)射信號(hào)的自相關(guān)矩陣R，再根據(jù)已設(shè)計(jì)的自相關(guān)矩陣R合成發(fā)射波形矩陣X。對(duì)于自相關(guān)矩陣R的設(shè)計(jì)，Petre Stoica和Jian Li提出了方向圖匹配設(shè)計(jì)和最小化旁瓣設(shè)計(jì)，如[Stoica P., Li J., Xie Y..0n probingsignal design for MIMO radar[J].1EEE Trans, on Signal Processing.2007, vol.55(8).4151-4161]文中所述對(duì)設(shè)計(jì)中所建立的凸規(guī)劃模型可采用凸優(yōu)化工具包c(diǎn)vx求解，cvx的具體用法見(jiàn)[Μ.Grant and S.Boyd.CVX:Matlab software for disciplined convexprogramming, http: //Stanford, edu/ ~boyd/cvx, Dec.2008]。該設(shè)計(jì)方法是基于最小二乘準(zhǔn)則的，使由自相關(guān)矩陣R得到的方向圖盡可能的逼近期望方向圖。對(duì)于根據(jù)自相關(guān)矩陣R合成發(fā)射波形矩陣X，Petre Stoica和Jian Li提出了 cyclic algorithm (CA)算法，見(jiàn)[Stoica P., Li J., Zhu X..Waveform Synthesis for Diversity-Based TransmitBeampattern Design.1EEE Trans, on Signal Processing.2008，vol.56(6).2593-2598]。該設(shè)計(jì)方法是基于最小二乘準(zhǔn)則的循環(huán)算法，逐步使得恒模信號(hào)發(fā)射波形矩陣X的相關(guān)矩陣逼近已優(yōu)化的自相關(guān)矩陣R。
[0007]但是，這些算法適用于均勻雜波中。在實(shí)際中，環(huán)境雜波通常是異構(gòu)的，這將會(huì)降低已存在的發(fā)射方向圖設(shè)計(jì)算法的性能。基于環(huán)境雜波的先驗(yàn)知識(shí)，BenjaminFriendlander提出了一種MIMO雷達(dá)的發(fā)射波形設(shè)計(jì)算法,其具體方法是基于已經(jīng)得到的雜波響應(yīng)，通過(guò)最大化系統(tǒng)輸出信號(hào)能量與雜波能量比SCR來(lái)獲得用于目標(biāo)檢測(cè)的最優(yōu)發(fā)射波形，見(jiàn)[Benjamin.，Waveform Design for MIMO Radars.1EEE Trans, onAerospace and Electronic systems.2007，vol.43 (3).1227-1238]。但是，該算法的代價(jià)函數(shù)非常復(fù)雜并且沒(méi)有考慮到發(fā)射波形的恒模約束條件。在恒模約束條件下，代價(jià)函數(shù)是一個(gè)NP (Non-deterministic Polynomial)難問(wèn)題，這將很難找到一個(gè)滿(mǎn)意的解。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是為了克服上述基于雜波先驗(yàn)知識(shí)的波形設(shè)計(jì)方法的不足，提出了一種雜波中檢測(cè)目標(biāo)用MMO雷達(dá)發(fā)射波形的分級(jí)設(shè)計(jì)方法，能夠提高雜波的抑制性能，可用于強(qiáng)雜波中的目標(biāo)檢 測(cè)，提高M(jìn)IMO雷達(dá)在雜波區(qū)域中檢測(cè)目標(biāo)的性能。
[0009]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。
[0010]1、一種雜波中檢測(cè)目標(biāo)用MMO雷達(dá)發(fā)射波形的分級(jí)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0011]步驟1，建立MMO雷達(dá)信號(hào)模型，獲取雜波在空域上的強(qiáng)度以及在時(shí)間域上的主瓣響應(yīng)；
[0012]步驟2，根據(jù)空域上雜波強(qiáng)度以及MMO雷達(dá)信號(hào)模型，分別計(jì)算出目標(biāo)回波能量Pt和Θ k方向上雜波的回波能量Pdt,得到輸出信號(hào)能量與雜波能量比SCR為Pt IY1Pck，其





K一I
中，k=l, 2，…，K，K表示雜波區(qū)域在空域上的等分個(gè)數(shù)；在自相關(guān)矩陣半正定以及發(fā)射天線發(fā)射能量恒定條件約束下，通過(guò)最大化輸出信號(hào)能量與雜波能量比SCR得到最優(yōu)的發(fā)射信號(hào)的自相關(guān)矩陣Rx;
[0013]步驟3，根據(jù)MIMO雷達(dá)的信號(hào)模型分別得到主瓣合成信號(hào)和主瓣雜波響應(yīng)分別為St=Xa1 ( Θ t)和qt=[qt(l), qt (2),…，Qt(Nc)IT,其中Θ t表示目標(biāo)所在的方位角，aT ( Θ t)表示
et方向上的發(fā)射導(dǎo)向矢量，XeC~xiV，Np表示信號(hào)碼長(zhǎng)，N表示陣元個(gè)數(shù)，C表示復(fù)數(shù)域；
發(fā)射信號(hào)波形矩陣X表示為Xm= [Xm(I), Xm(2)，…，Xm(Np) ]τ,其中Xm (n) (m=l,…，N)表示第m個(gè)陣元天線發(fā)射的恒模信號(hào)，
【權(quán)利要求】
1.一種雜波中檢測(cè)目標(biāo)用MIMO雷達(dá)發(fā)射波形的分級(jí)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1，建立MMO雷達(dá)信號(hào)模型，獲取雜波在空域上的強(qiáng)度以及在時(shí)間域上的主瓣響應(yīng)； 步驟2，根據(jù)空域上雜波強(qiáng)度以及MMO雷達(dá)信號(hào)模型，分別計(jì)算出目標(biāo)回波能量Pt和9,方向上雜波的回波能量P。,，得到輸出信號(hào)能量與雜波能量比SCR為
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雜波中檢測(cè)目標(biāo)用MIMO雷達(dá)發(fā)射波形的分級(jí)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟2的子步驟為: 2.0)根據(jù)空域上雜波強(qiáng)度以及MMO雷達(dá)信號(hào)模型，目標(biāo)回波的能量表示為:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雜波中檢測(cè)目標(biāo)用MIMO雷達(dá)發(fā)射波形的分級(jí)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟3的子步驟為:. 3.0)首先，根據(jù)MMO雷達(dá)信號(hào)模型，經(jīng)過(guò)濾波器后輸出的信號(hào)分量和雜波分量為〈6>式:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雜波中檢測(cè)目標(biāo)用MIMO雷達(dá)發(fā)射波形的分級(jí)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟4的子步驟為: . 4.1)在恒模條件約束下，發(fā)射波形矩陣設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型寫(xiě)為:
【文檔編號(hào)】G01S7/36GK103969633SQ201410122330
【公開(kāi)日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月28日
【發(fā)明者】糾博, 陳雁飛, 劉宏偉, 王英華, 戴豐周 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)