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雜波中檢測目標(biāo)用mimo雷達發(fā)射波形的分級設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于雷達【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及集中式MIMO(Multiple?Input?Multiple?Output)雷達的發(fā)射波形設(shè)計，公開了一種雜波中檢測目標(biāo)用MIMO雷達發(fā)射波形的分級設(shè)計方法，能夠提高雜波的抑制性能，可用于強雜波中的目標(biāo)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(yīng)先驗知識；步驟2，基于雜波在空域上的強度先驗知識，設(shè)計發(fā)射信號的自相關(guān)矩陣Rx；步驟3，聯(lián)合優(yōu)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(shè)計發(fā)射波形矩陣。
【專利說明】雜波中檢測目標(biāo)用MIMO雷達發(fā)射波形的分級設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于雷達【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及集中式MIM0(Multiple Input Multiple Output)雷達的發(fā)射波形設(shè)計，特別涉及一種雜波中檢測目標(biāo)用MMO雷達發(fā)射波形的分級設(shè)計方法，能夠提高雜波的抑制性能，可用于強雜波中的目標(biāo)檢測。
【背景技術(shù)】
[0002]在傳統(tǒng)雷達中，發(fā)射波形通常是固定的。因此，接收到的信號是適應(yīng)電磁環(huán)境的唯一來源，這會限制系統(tǒng)在復(fù)雜的傳播和干擾環(huán)境下的性能。然而基于先驗知識的雷達發(fā)射波形設(shè)計方法可以提高整個系統(tǒng)的靈活性，從而可以在復(fù)雜的傳播和干擾環(huán)境下得到滿意的性能。在雜波區(qū)域中檢測目標(biāo)，雜波相對于系統(tǒng)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(biāo)的檢測。此時，增加發(fā)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(shè)計發(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SIAR的啟發(fā)，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(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(biāo)有不同的觀測視角以及目標(biāo)回波的獨立性，在統(tǒng)計意義下，這類MIMO雷達可以克服目標(biāo)的閃爍效應(yīng)從而提高雷達對目標(biāo)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(shè)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(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(shè)計集中式MIMO雷達每個陣元的發(fā)射波形，從而提高它在目標(biāo)檢測、跟蹤與識別上的系統(tǒng)性能。
[0004]由于MMO雷達可以通過各陣元發(fā)射不同的信號，從而獲得某種實際需要的方向圖，為此根據(jù)實際需要設(shè)計發(fā)射波形成為必需。目前發(fā)射波形設(shè)計的主要方法有正交波形設(shè)計、發(fā)射方向圖的波形設(shè)計以及基于先驗知識的波形設(shè)計。
[0005]正交波形設(shè)計是MMO雷達波形設(shè)計的基礎(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(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)計算法。具體設(shè)計方法是先設(shè)計發(fā)射信號的自相關(guān)矩陣R，再根據(jù)已設(shè)計的自相關(guān)矩陣R合成發(fā)射波形矩陣X。對于自相關(guān)矩陣R的設(shè)計，Petre Stoica和Jian Li提出了方向圖匹配設(shè)計和最小化旁瓣設(shè)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(shè)計中所建立的凸規(guī)劃模型可采用凸優(yōu)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(shè)計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[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。在實際中，環(huán)境雜波通常是異構(gòu)的，這將會降低已存在的發(fā)射方向圖設(shè)計算法的性能。基于環(huán)境雜波的先驗知識，BenjaminFriendlander提出了一種MIMO雷達的發(fā)射波形設(shè)計算法,其具體方法是基于已經(jīng)得到的雜波響應(yīng)，通過最大化系統(tǒng)輸出信號能量與雜波能量比SCR來獲得用于目標(biāo)檢測的最優(yōu)發(fā)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(shù)非常復(fù)雜并且沒有考慮到發(fā)射波形的恒模約束條件。在恒模約束條件下，代價函數(shù)是一個NP (Non-deterministic Polynomial)難問題，這將很難找到一個滿意的解。

【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知識的波形設(shè)計方法的不足，提出了一種雜波中檢測目標(biāo)用MMO雷達發(fā)射波形的分級設(shè)計方法，能夠提高雜波的抑制性能，可用于強雜波中的目標(biāo)檢 測，提高MIMO雷達在雜波區(qū)域中檢測目標(biāo)的性能。
[0009]為達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)。
[0010]1、一種雜波中檢測目標(biāo)用MMO雷達發(fā)射波形的分級設(shè)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(yīng)；
[0012]步驟2，根據(jù)空域上雜波強度以及MMO雷達信號模型，分別計算出目標(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，通過最大化輸出信號能量與雜波能量比SCR得到最優(yōu)的發(fā)射信號的自相關(guān)矩陣Rx;
[0013]步驟3，根據(jù)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(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表示信號碼長，N表示陣元個數(shù)，C表示復(fù)數(shù)域；
發(fā)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(fā)射的恒模信號，
【權(quán)利要求】
1.一種雜波中檢測目標(biāo)用MIMO雷達發(fā)射波形的分級設(shè)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(yīng)； 步驟2，根據(jù)空域上雜波強度以及MMO雷達信號模型，分別計算出目標(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所述的雜波中檢測目標(biāo)用MIMO雷達發(fā)射波形的分級設(shè)計方法，其特征在于，步驟2的子步驟為: 2.0)根據(jù)空域上雜波強度以及MMO雷達信號模型，目標(biāo)回波的能量表示為:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雜波中檢測目標(biāo)用MIMO雷達發(fā)射波形的分級設(shè)計方法，其特征在于，步驟3的子步驟為:. 3.0)首先，根據(jù)MMO雷達信號模型，經(jīng)過濾波器后輸出的信號分量和雜波分量為〈6>式:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雜波中檢測目標(biāo)用MIMO雷達發(fā)射波形的分級設(shè)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(fā)射波形矩陣設(shè)計的數(shù)學(xué)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(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 申請人:西安電子科技大學(xué)