Mimo天波超視距雷達波形優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明主要涉及MMO天波超視距雷達信號處理領(lǐng)域，包括從接收信號反饋進行 發(fā)射波形優(yōu)化。。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的天波超視距雷達主要通過電離層的反射探測1000公里以上的目標，工作 在3-30MHZ的高頻頻段，具有早期預(yù)警和反隱身性能強等特點。但是由于電離層電子濃度 的不規(guī)則性使回波信號疊加了一個隨機擾動，造成雜波譜的展寬；另外來自海面、地面的 強大雜波干擾通常大于目標信號，天波超視距雷達在探測慢速目標時通常性能受到諸多限 制。有時為了使雷達有效地工作，需要進行長時間的相干時間積累，這種積累一般在30秒 以上，但是電離層的隨機變化嚴重地影響了相干積累的效果?？梢哉f，天波超視距雷達面臨 的問題是多樣的，這些問題如果不能夠很好得解決，其目標檢測性能就得不到改善，其優(yōu)勢 也就無從體現(xiàn)。
[0003] 近年來，將MMO雷達技術(shù)用于天波超視距雷達的研究中，其原理就是通過發(fā)射和 接收分集技術(shù)，提高雷達的抗干擾能力，從而改善目標檢測能力和系統(tǒng)性能。但現(xiàn)有研究均 是基于單層簡單電離層模型，并沒有體現(xiàn)出MIMO雷達技術(shù)的優(yōu)勢，因為MIMO雷達系統(tǒng)總是 要比相當配置的相控陣雷達系統(tǒng)的信噪比低，也就是說對于單一方向探測目標，相控陣雷 達系統(tǒng)的性能總是不會比MIMO雷達差。雖然可以通過想干積累時間來彌補，但是正如前文 所說，相干時間過長會帶來更多的問題。在天波系統(tǒng)中，MMO雷達技術(shù)真正的優(yōu)勢在于可 以同時向多方向發(fā)射窄波束且擴展性和靈活性較好，而相控陣雷達受限于體制無法同時發(fā) 射多個方向的窄波束。
[0004] 由于電離層擾動、海雜波等強干擾源是時變的，需要一種可以根據(jù)接收信號進行 自適應(yīng)處理的發(fā)射波形優(yōu)化方法，本發(fā)明基于兩層電離層的MMO-OTHR模型，提出了一種 基于互信息理論的兩步驟波形優(yōu)化方法，該方法降低不同DOA多徑回波的相關(guān)性和噪聲對 系統(tǒng)性能的影響，使得最終的目標檢測概率有明顯的提高。
[0005] 該方法第一步是通過最大化相同DOA回波中的回波信號和目標傳播響應(yīng)之間的 互信息，從而降低噪聲對系統(tǒng)性能的影響。第二步則是通過最小化不同DOA角度之間回波 的互信息，來減少不同DOA多徑回波的相關(guān)性從而進行雜波抑制；兩步驟得到的發(fā)射波形 使目標分辨率和檢測概率明顯提升。這樣的結(jié)果同時也說明，與傳統(tǒng)雷達認為多徑傳播會 降低系統(tǒng)性能不同，MIM0-0THR中多徑回波是可以利用起來，提高目標分辨率、檢測跟蹤等 性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提出了一種MMO天波超視距雷達波形優(yōu)化方法，包括：
[0007] 步驟1，初始時刻t= 0,發(fā)射初始的線性調(diào)頻連續(xù)波，經(jīng)過電離層的E層和F層反 射的波束，通過最小方差無失真響應(yīng)（MVDR)自適應(yīng)波束形成方法，得到兩個不同到達方向 (DOA)的回波Ya|t =。和Ye|t =Q;其中，t=O時刻的RHaM、Ri1Jf=O、R@qM、 通過電離層探測器獲得的已知信息進行預(yù)先設(shè)置，是t= 0時刻a方向的信道響 應(yīng)矩陣的協(xié)方差，是t= 〇時刻P方向的信道響應(yīng)矩陣的協(xié)方差，R0alf^是t= 〇時刻a方向的噪聲協(xié)方差，是t= 0時刻P方向的噪聲協(xié)方差；
[0008] 步驟2,在一定的發(fā)射功率Ptl條件下，最大化同一DOA回波中接收到的回波和目標 傳播響應(yīng)之間的互信息，最大化I(Ya;HaIX)或I(Ye;HeIX)得到相對應(yīng)的發(fā)射波形X能夠 使噪聲對目標檢測的影響降到最低，在兩個不同的波達方向（DOA)，其信道響應(yīng)矩陣為Ha 和He，I(Ya;Ha |X)表示給定X的情況下，￥。和11。之間的互信息；I(Ye;He |X)表示給定X 的情況下，Yf^PH0之間的互信息；找到對應(yīng)的若干個滿足條件的Xt= 1的集合;
[0009] 步驟3,對Ya|t =Ye|t = ^，在一定的發(fā)射功率Ptl條件下，最小化兩個不同DOA的 窄波束回波之間的互信息I(Ya，Ye)，找到中滿足條件的發(fā)射波形Xt = 1;
[0010] 步驟4,在t= 1時刻發(fā)射上一時刻找到的優(yōu)化波形Xt = 1;類推，在t+1時刻，發(fā)射 在t時刻找到的優(yōu)化波形Xt+1，并計算得到t+1時刻、IV、~，、rO,的值；
[0011] 步驟5,重復(fù)以上步驟2-4。
[0012] 其中步驟2中，最大化同一DOA回波中接收到的回波和目標傳播響應(yīng)之間的互信 息為：
[0013] 通過最大化以下兩個公式之一，找到最大化I(Ya;HaIX)或I(Ye;HeIX)相對應(yīng)的 發(fā)射波形X，
【主權(quán)項】
1. 一種ΜΙΜΟ天波超視距雷達波形優(yōu)化方法，包括： 步驟1，初始時刻t = 0,發(fā)射初始的線性調(diào)頻連續(xù)波，經(jīng)過電離層的E層和F層反射 的波束，通過最小方差無失真響應(yīng)（MVDR)自適應(yīng)波束形成方法，得到兩個不同到達方向 (DOA)的回波Ya|t = Q和Y e|t = Q;其中，t = 0時刻的
通過電離層探測器獲得的已知信息進行預(yù)先設(shè)置，RHJi=G是t = 0時刻a方向的信道響 應(yīng)矩陣的協(xié)方差，Rni=?是t= 〇時刻β方向的道響應(yīng)矩陣的協(xié)方差，是t= 〇時刻a方向的噪聲協(xié)方差，R<_>. M是t = 0時刻β方向的噪聲協(xié)方差； 步驟2,在一定的發(fā)射功率Ptl條件下，最大化同一DOA回波中接收到的回波和目標傳播 響應(yīng)之間的互信息，最大化I (Ya ;H a IX)或I (Ye ;H e IX)得到相對應(yīng)的發(fā)射波形X能夠使噪 聲對目標檢測的影響降到最低，在兩個不同的波達方向（DOA)，其信道響應(yīng)矩陣為H a和H e， I (Ya ;H a IX)表示給定X的情況下，Ya和H a之間的互信息；I (Y e e IX)表示給定X的情況 下，Ye和H 0之間的互信息；找到對應(yīng)的若干個滿足條件的Xt = 1的集合; 步驟3,對Ya |t =凋Y e |t = ^，在一定的發(fā)射功率Ptl條件下，最小化兩個不同DOA的窄波 束回波之間的互信息I (γα，Ye)，找到SX/=i中滿足條件的發(fā)射波形Xt = 1; 步驟4,在t = 1時刻發(fā)射上一時刻找到的優(yōu)化波形Xt = 1;類推，在t+Ι時刻，發(fā)射在t 時刻找到的優(yōu)化波形Xt+1，并計算得到t+Ι時亥
，的值； 步驟5,重復(fù)以上步驟2-4。
2. 如權(quán)利要求1所述的MIMO天波超視距雷達波形優(yōu)化方法， 其中步驟2中，最大化同一 DOA回波中接收到的回波和目標傳播響應(yīng)之間的互信息 為： 通過最大化以下兩個公式之一，找到最大化I (Ya ;H a IX)或I (Ye ;H e IX)相對應(yīng)的發(fā)射 波形X，
N為接收天線的根數(shù)。
3. 如權(quán)利要求1所述的MIMO天波超視距雷達波形優(yōu)化方法， 其中步驟3中，最小化兩個不同DOA的窄波束回波￥"和Y 3之間的互信息為：
找到令上式最小化的發(fā)射波形X，其中，Imxm是維度為MXM的單位矩陣， 是由協(xié)方差矩陣$的奇異值組成的對角矩陣，且Cl1S d 2彡…d M， 又和寫分別為Y α和Y e的白化矩陣。
【專利摘要】MIMO雷達技術(shù)在發(fā)射端和接收端均可以進行波束形成，特別是可以同時向不同方向發(fā)射窄波束，恰好可以滿足天波超視距雷達對多層電離層探測和抑制較強雜波的需求。本發(fā)明將兩層電離層結(jié)構(gòu)應(yīng)用到MIMO超視距雷達(OTHR)系統(tǒng)中，并針對OTHR受海雜波和電離層影響而導(dǎo)致的雜噪比(CNR)比較高的特點，提出了一套信號處理方法：包括通過互信息理論的兩步驟方法對發(fā)射波形進行自適應(yīng)優(yōu)化。仿真驗證發(fā)現(xiàn)上述方法對目標檢測概率和分辨率有明顯提升，說明MIMO-OTHR能夠利用多徑回波改善目標檢測和其他系統(tǒng)性能。
【IPC分類】G01S7-02
【公開號】CN104678362
【申請?zhí)枴緾N201510111364
【發(fā)明人】羅楊
【申請人】電子科技大學(xué)
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年3月13日