雜波中檢測目標用mimo雷達發射波形的分級設計方法
【專利摘要】本發明屬于雷達【技術領域】，涉及集中式MIMO(Multiple?Input?Multiple?Output)雷達的發射波形設計，公開了一種雜波中檢測目標用MIMO雷達發射波形的分級設計方法，能夠提高雜波的抑制性能，可用于強雜波中的目標檢測；其包括以下步驟：步驟1，建立MIMO雷達信號模型，獲取雜波在空域上的強度以及在時間域上的主瓣響應先驗知識；步驟2，基于雜波在空域上的強度先驗知識，設計發射信號的自相關矩陣Rx；步驟3，聯合優化主瓣合成信號（Mainlobe?Synthesized?Signal，MSS）和失配濾波器來抑制主瓣雜波信號；步驟4，在恒模條件約束下，設計發射波形矩陣。
【專利說明】雜波中檢測目標用MIMO雷達發射波形的分級設計方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于雷達【技術領域】，涉及集中式MIM0(Multiple Input Multiple Output)雷達的發射波形設計，特別涉及一種雜波中檢測目標用MMO雷達發射波形的分級設計方法，能夠提高雜波的抑制性能，可用于強雜波中的目標檢測。
【背景技術】
[0002]在傳統雷達中，發射波形通常是固定的。因此，接收到的信號是適應電磁環境的唯一來源，這會限制系統在復雜的傳播和干擾環境下的性能。然而基于先驗知識的雷達發射波形設計方法可以提高整個系統的靈活性，從而可以在復雜的傳播和干擾環境下得到滿意的性能。在雜波區域中檢測目標，雜波相對于系統熱噪聲占主要地位。在輸出信號能量與雜波能量比(Signal to Clutter Ratio, SCR)低的情況下,我們很難得到滿意的檢測性能，特別是針對低速運動目標的檢測。此時，增加發射信號的能量對提高檢測性能是沒有效果的，唯一的方法就是設計發射的波形。
[0003]受通信領域中MMO技術及綜合脈沖孔徑雷達SIAR的啟發，2003年Rabideau和 Parker 提出了 MIMO 雷達概念，見[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，這一概念在雷達領域引起了人們的廣泛關注。根據發射天線和接收天線的間距大小，可以將MMO雷達分為分布式MMO雷達和集中式MMO雷達兩類。對于分布式MMO雷達來說，由于各個天線對目標有不同的觀測視角以及目標回波的獨立性，在統計意義下，這類MIMO雷達可以克服目標的閃爍效應從而提高雷達對目標的探測性能。對于集中式MIMO雷達來說，其特點是陣元間距較小，具有自由地設計每副天線波形的能力。與相控陣雷達相比，集中式MMO雷達的自由度提高了，從而集中式MMO雷達呈現出更多的優越性，如參量分辨力的提高、更自由的發射方向圖設計能力等，見[Li J.and Stoica P..MIMO Radar WithColocated Antennas[J].1EEE Signal Processing Magazine, Sep.2007, vol.24, pp.106-114]。因此，可以通過設計集中式MIMO雷達每個陣元的發射波形，從而提高它在目標檢測、跟蹤與識別上的系統性能。
[0004]由于MMO雷達可以通過各陣元發射不同的信號，從而獲得某種實際需要的方向圖，為此根據實際需要設計發射波形成為必需。目前發射波形設計的主要方法有正交波形設計、發射方向圖的波形設計以及基于先驗知識的波形設計。
[0005]正交波形設計是MMO雷達波形設計的基礎，它主要考慮波形的自相關和互相關性質。然而，正交波形的發射方向圖是各向同性的。與相控陣雷達相比，主瓣增益損失可能會降低正交波形的MIMO雷達性能，這限制了正交波形的應用。
[0006]在給定期望的發射方向圖下，Petre Stoica和Jian Li提出了在恒模約束下的波形優化設計算法。具體設計方法是先設計發射信號的自相關矩陣R，再根據已設計的自相關矩陣R合成發射波形矩陣X。對于自相關矩陣R的設計，Petre Stoica和Jian Li提出了方向圖匹配設計和最小化旁瓣設計，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]文中所述對設計中所建立的凸規劃模型可采用凸優化工具包cvx求解，cvx的具體用法見[Μ.Grant and S.Boyd.CVX:Matlab software for disciplined convexprogramming, http: //Stanford, edu/ ~boyd/cvx, Dec.2008]。該設計方法是基于最小二乘準則的，使由自相關矩陣R得到的方向圖盡可能的逼近期望方向圖。對于根據自相關矩陣R合成發射波形矩陣X，Petre Stoica和Jian Li提出了 cyclic algorithm (CA)算法，見[Stoica P., Li J., Zhu X..Waveform Synthesis for Diversity-Based TransmitBeampattern Design.1EEE Trans, on Signal Processing.2008，vol.56(6).2593-2598]。該設計方法是基于最小二乘準則的循環算法，逐步使得恒模信號發射波形矩陣X的相關矩陣逼近已優化的自相關矩陣R。
[0007]但是，這些算法適用于均勻雜波中。在實際中，環境雜波通常是異構的，這將會降低已存在的發射方向圖設計算法的性能。基于環境雜波的先驗知識，BenjaminFriendlander提出了一種MIMO雷達的發射波形設計算法,其具體方法是基于已經得到的雜波響應，通過最大化系統輸出信號能量與雜波能量比SCR來獲得用于目標檢測的最優發射波形，見[Benjamin.，Waveform Design for MIMO Radars.1EEE Trans, onAerospace and Electronic systems.2007，vol.43 (3).1227-1238]。但是，該算法的代價函數非常復雜并且沒有考慮到發射波形的恒模約束條件。在恒模約束條件下，代價函數是一個NP (Non-deterministic Polynomial)難問題，這將很難找到一個滿意的解。
【發明內容】
[0008]本發明的目的是為了克服上述基于雜波先驗知識的波形設計方法的不足，提出了一種雜波中檢測目標用MMO雷達發射波形的分級設計方法，能夠提高雜波的抑制性能，可用于強雜波中的目標檢 測，提高MIMO雷達在雜波區域中檢測目標的性能。
[0009]為達到上述目的，本發明采用以下技術方案予以實現。
[0010]1、一種雜波中檢測目標用MMO雷達發射波形的分級設計方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0011]步驟1，建立MMO雷達信號模型，獲取雜波在空域上的強度以及在時間域上的主瓣響應；
[0012]步驟2，根據空域上雜波強度以及MMO雷達信號模型，分別計算出目標回波能量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表示雜波區域在空域上的等分個數；在自相關矩陣半正定以及發射天線發射能量恒定條件約束下，通過最大化輸出信號能量與雜波能量比SCR得到最優的發射信號的自相關矩陣Rx;
[0013]步驟3，根據MIMO雷達的信號模型分別得到主瓣合成信號和主瓣雜波響應分別為St=Xa1 ( Θ t)和qt=[qt(l), qt (2),…，Qt(Nc)IT,其中Θ t表示目標所在的方位角，aT ( Θ t)表示
et方向上的發射導向矢量，XeC~xiV，Np表示信號碼長，N表示陣元個數，C表示復數域；
發射信號波形矩陣X表示為Xm= [Xm(I), Xm(2)，…，Xm(Np) ]τ,其中Xm (n) (m=l,…，N)表示第m個陣元天線發射的恒模信號，
【權利要求】
1.一種雜波中檢測目標用MIMO雷達發射波形的分級設計方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1，建立MMO雷達信號模型，獲取雜波在空域上的強度以及在時間域上的主瓣響應； 步驟2，根據空域上雜波強度以及MMO雷達信號模型，分別計算出目標回波能量Pt和9,方向上雜波的回波能量P。,，得到輸出信號能量與雜波能量比SCR為
2.根據權利要求1所述的雜波中檢測目標用MIMO雷達發射波形的分級設計方法，其特征在于，步驟2的子步驟為: 2.0)根據空域上雜波強度以及MMO雷達信號模型，目標回波的能量表示為:
3.根據權利要求1所述的雜波中檢測目標用MIMO雷達發射波形的分級設計方法，其特征在于，步驟3的子步驟為:. 3.0)首先，根據MMO雷達信號模型，經過濾波器后輸出的信號分量和雜波分量為〈6>式:
4.根據權利要求1所述的雜波中檢測目標用MIMO雷達發射波形的分級設計方法，其特征在于，步驟4的子步驟為: . 4.1)在恒模條件約束下，發射波形矩陣設計的數學模型寫為:
【文檔編號】G01S7/36GK103969633SQ201410122330
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年3月28日 優先權日:2014年3月28日
【發明者】糾博, 陳雁飛, 劉宏偉, 王英華, 戴豐周 申請人:西安電子科技大學
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