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相干mimo雷達(dá)的收發(fā)穩(wěn)健降維自適應(yīng)波束形成方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種相干MIMO雷達(dá)的收發(fā)穩(wěn)健降維自適應(yīng)波束形成方法，首先將相干MIMO雷達(dá)中的發(fā)射-接收二維權(quán)向量分離為發(fā)射權(quán)向量和接收權(quán)向量兩部分，實(shí)現(xiàn)降維；然后基于雙邊導(dǎo)向矢量誤差模型，利用二階凸優(yōu)化算法推導(dǎo)雙二次代價(jià)函數(shù)及約束條件；進(jìn)而利用雙迭代方法計(jì)算波束形成所需的最優(yōu)權(quán)向量；最后用最優(yōu)權(quán)向量穩(wěn)健實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)波束形成。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)自適應(yīng)波束形成方法應(yīng)用于相干MIMO雷達(dá)需要很大的樣本數(shù)及計(jì)算量大的缺點(diǎn)。與傳統(tǒng)的自適應(yīng)波束形成方法相比，本發(fā)明很大程度上降低了所需的樣本數(shù)及計(jì)算量，大大提高了收斂速度，并且具有很好的穩(wěn)健性。
【專利說明】相干MIMO雷達(dá)的收發(fā)穩(wěn)健降維自適應(yīng)波束形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于雷達(dá)信號處理【技術(shù)領(lǐng)域】，具體說是實(shí)現(xiàn)相干多輸入多輸出(multiple-transmit multiple-receive,以下簡稱ΜΙΜΟ)雷達(dá)收發(fā)雙邊導(dǎo)向矢量失配問題以及觀測數(shù)據(jù)中含有目標(biāo)信號狀況下的穩(wěn)健降維自適應(yīng)波束形成，用于動(dòng)目標(biāo)檢測和波達(dá)方向(DOA)估計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，作為一種新體制雷達(dá)，多輸入多輸出(MMO)雷達(dá)受到了人們的廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)相比，MMO雷達(dá)通過多個(gè)天線發(fā)射非相干或正交信號，在接收端進(jìn)行匹配濾波分離出發(fā)射信號分量，因而能夠利用少量的天線獲得較多的系統(tǒng)處理自由度，實(shí)現(xiàn)發(fā)射-接收二維自適應(yīng)波束形成，從而得到具有較低旁瓣的二維窄波束，有利于提高目標(biāo)參數(shù)識別能力、目標(biāo)角度估計(jì)精度以及雷達(dá)的抗干擾能力。根據(jù)發(fā)射和接收陣列配置方式的不同，MMO雷達(dá)可分為非相干MMO雷達(dá)和相干MMO雷達(dá)兩類。其中，相干MMO雷達(dá)利用發(fā)射信號的多樣性，即波形分集來增加系統(tǒng)處理自由度，從而提高雷達(dá)參數(shù)的可辨識性以及抑制干擾的能力；此外，相干MIMO雷達(dá)還可以利用發(fā)射和接收天線孔徑提高雷達(dá)角度分辨率和抑制干擾的能力?；谝陨显?，相干MMO雷達(dá)成為了 MMO雷達(dá)的研究重點(diǎn)。
[0003]當(dāng)發(fā)射信號正交時(shí)，相干MMO雷達(dá)在接收端對每個(gè)發(fā)射信號進(jìn)行匹配濾波，實(shí)現(xiàn)發(fā)射-接收二維聯(lián)合自適應(yīng)波束形成。相干MMO雷達(dá)的信號處理維數(shù)等于發(fā)射天線數(shù)與接收天線數(shù)的乘積，因而當(dāng)采用傳統(tǒng)的最小方差無畸變(MVDR)方法來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)波束形成時(shí)，所涉及的樣本需求以及計(jì)算量都會(huì)大幅地增長。因此，相干MIMO雷達(dá)自適應(yīng)波束形成首先要解決的問題就是高維信號處理問題。此外，當(dāng)假定的目標(biāo)導(dǎo)向矢量與真實(shí)的目標(biāo)導(dǎo)向矢量不能完全匹配時(shí)，傳統(tǒng)的自適應(yīng)波束形成方法的性能會(huì)大大地下降。更進(jìn)一步，當(dāng)觀測數(shù)據(jù)中包含目標(biāo)信號時(shí)，傳統(tǒng)的自適應(yīng)波束形成方法的性能對于導(dǎo)向矢量的失配會(huì)變得更加敏感，尤其是在高信噪比(SNR)情況下，導(dǎo)向矢量的失配會(huì)嚴(yán)重影響到自適應(yīng)波束形成算法的性能。例如，在有陣列誤差的情況下，目標(biāo)的真實(shí)導(dǎo)向矢量與期望導(dǎo)向矢量失配，傳統(tǒng)的采樣協(xié)方差矩陣求逆(SMI)方法對導(dǎo)向矢量誤差不具有穩(wěn)健性，會(huì)產(chǎn)生目標(biāo)信號自相消的現(xiàn)象，即目標(biāo)會(huì)被當(dāng)作干擾抑制掉。而且，觀測數(shù)據(jù)中可能會(huì)含有目標(biāo)信號，目標(biāo)信號的存在會(huì)大大降低SMI算法隨樣本的收斂速度和性能。因此，如何提高自適應(yīng)波束形成算法的穩(wěn)健性成為人們必須要解決的問題。傳統(tǒng)的提高波束形成穩(wěn)健性的方法主要有線性約束最小方差(LCMV)法、對角加載技術(shù)、矩陣錐消(CMT)法以及二階凸優(yōu)化法等，其中最常用的方法是對角加載波束形成方法。對角加載采樣協(xié)方差矩陣求逆(LSMI)算法是SMI算法的改進(jìn)算法，它可以顯著地提高SMI算法的自適應(yīng)收斂率，并具有自適應(yīng)波束保形能力。但是，LSMI算法對角加載量的選取是一個(gè)尚未解決的難題:當(dāng)對角加載量低于噪聲功率時(shí)，噪聲特征值擴(kuò)散程度改善較小，LSMI算法與SMI算法相比，性能改善不大；當(dāng)對角加載量過大時(shí)，對角加載后的協(xié)方差矩陣特征值比理想?yún)f(xié)方差矩陣的特征值大，將會(huì)使加載后的干擾特征值與噪聲特征值之比變小，導(dǎo)致干擾零陷變淺，從而有一定的性能損失?；谧儗羌虞d的全維二階凸規(guī)劃(F-SOCP)算法性能略好于基于固定加載的LSMI算法性能，但是它存在計(jì)算量大、訓(xùn)練樣本需求多、自適應(yīng)收斂率慢等問題。綜合以上介紹，雖然相干MIMO雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射-接收二維自適應(yīng)波束形成，但是全維自適應(yīng)波束形成由于系統(tǒng)自由度的增加，其計(jì)算復(fù)雜度和樣本需求將會(huì)成倍地增長。此外，實(shí)際信號處理中存在著導(dǎo)向矢量失配、估計(jì)協(xié)方差矩陣含有目標(biāo)信號等各種非理想因素，這些因素將導(dǎo)致自適應(yīng)波束形成方法的收斂率和性能急劇下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是:針對現(xiàn)有自適應(yīng)波束形成方法應(yīng)用于相干MMO雷達(dá)時(shí)存在的不足，如計(jì)算復(fù)雜度高，樣本需求量大，實(shí)際信號處理中存在著導(dǎo)向矢量失配以及估計(jì)協(xié)方差矩陣含有目標(biāo)信號等各種非理想因素，本發(fā)明提出了一種收發(fā)穩(wěn)健降維自適應(yīng)波束形成方法，來實(shí)現(xiàn)收發(fā)雙邊導(dǎo)向矢量失配以及觀測數(shù)據(jù)中含有目標(biāo)信號狀況下的穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成。[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案概括為:首先將相干MMO雷達(dá)中的發(fā)射-接收二維權(quán)向量分離為發(fā)射權(quán)向量和接收權(quán)向量兩部分，從而實(shí)現(xiàn)降維；然后基于收發(fā)雙邊導(dǎo)向矢量誤差模型，利用二階凸優(yōu)化算法推導(dǎo)出雙二次代價(jià)函數(shù)及約束條件；進(jìn)而利用雙迭代方法計(jì)算波束形成所需的最優(yōu)權(quán)向量；最后用計(jì)算出的最優(yōu)權(quán)向量進(jìn)行波束形成。具體實(shí)現(xiàn)過程如下:
[0006](I)將相干MMO雷達(dá)中MtMrXl維的發(fā)射-接收二維權(quán)向量
【權(quán)利要求】
1.一種相干MIMO雷達(dá)的收發(fā)穩(wěn)健降維自適應(yīng)波束形成方法，其特征是:首先將相干MIMO雷達(dá)中的發(fā)射-接收二維權(quán)向量分離為發(fā)射權(quán)向量和接收權(quán)向量兩部分，從而實(shí)現(xiàn)降維，然后基于收發(fā)雙邊導(dǎo)向矢量誤差模型，利用二階凸優(yōu)化算法推導(dǎo)出雙二次代價(jià)函數(shù)及約束條件，進(jìn)而利用雙迭代方法計(jì)算波束形成所需的最優(yōu)權(quán)向量，最后用計(jì)算出的最優(yōu)權(quán)向量進(jìn)行波束形成；具體實(shí)現(xiàn)過程如下: Cl)將相干MMO雷達(dá)中M其XI維的發(fā)射-接收二維權(quán)向量
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相干MIMO雷達(dá)的收發(fā)穩(wěn)健降維自適應(yīng)波束形成方法，其特征是:將相干MIMO雷達(dá)中的發(fā)射-接收二維權(quán)向量分尚為發(fā)射權(quán)向量和接收權(quán)向量兩部分，實(shí)現(xiàn)降維，具體過程如下: 相干MIMO雷達(dá)自適應(yīng)波束形成涉及到發(fā)射維和接收維信息，將全維權(quán)向量
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的相干MIMO雷達(dá)的收發(fā)穩(wěn)健降維自適應(yīng)波束形成方法，其特征是:經(jīng)過降維處理后，基于收發(fā)雙邊導(dǎo)向矢量誤差模型，利用二階凸優(yōu)化算法推導(dǎo)出雙二次代價(jià)函數(shù)及約束條件的過程如下: {1}收發(fā)雙邊導(dǎo)向矢量誤差模型如下:假定的目標(biāo)信號導(dǎo)向矢量和真實(shí)的目標(biāo)信號導(dǎo)向矢量之間會(huì)存在著一定的誤差，但誤差的2-范數(shù)的范圍是已知的或是指定的，令i和6分別表示目標(biāo)真實(shí)的發(fā)射導(dǎo)向矢量和接收導(dǎo)向矢量，設(shè)假定的目標(biāo)發(fā)射導(dǎo)向矢量a和接收導(dǎo)向矢量b分別滿足aHa = Mt, bHb = 且真實(shí)的導(dǎo)向矢量與假定的導(dǎo)向矢量之間有如下關(guān)系
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的相干MIMO雷達(dá)的收發(fā)穩(wěn)健降維自適應(yīng)波束形成方法，其特征是:利用雙迭代方法對雙二次代價(jià)函數(shù)進(jìn)行最優(yōu)權(quán)向量求解的過程如下{1}當(dāng)固定?時(shí)，將式(14a)表示為
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的相干MIMO雷達(dá)的收發(fā)穩(wěn)健降維自適應(yīng)波束形成方法，其特征是:用雙迭代方法計(jì)算最優(yōu)權(quán)向量I萍Pf的過程如下 (?)給定初始值β_)=VIHI； ⑵將?(/_1)帶入代價(jià)函數(shù)(3)中優(yōu)化得到t(Ch其中i = 1，2，...； (3)同理，將鄧)帶入代價(jià)函數(shù)⑷中優(yōu)化得到?(ι:)?并對轉(zhuǎn))進(jìn)行歸一化處理； (4)重復(fù)上述步驟⑵和(3)，直到||_)-0(/-1)||鄭(/)||<么(0<4?1)迭代停止，就得到了最優(yōu)權(quán)向量S和？。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的相干MMO雷達(dá)的收發(fā)穩(wěn)健降維自適應(yīng)波束形成方法，其特征是:根據(jù)雙迭代方法求得的最優(yōu)權(quán)向量?:和f,恢復(fù)出收-發(fā)二維自適應(yīng)權(quán)矢向量w = (R]l ΦΙΚ )w =)Ψ--,然后通過恢復(fù)出的收-發(fā)二維自適應(yīng)權(quán)向量w直接對觀測數(shù)據(jù)矢量進(jìn)行加權(quán)求和，使陣列的輸出功率最小，從而在特定方向形成主波束用來接收有用的期望信號，并抑制來自其他方向的干擾信號，即完成了波束形成。
【文檔編號】G01S7/41GK103605122SQ201310648827
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年12月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月4日
【發(fā)明者】馮大政, 趙海霞, 向聰, 肖寧, 白登攀 申請人:西安電子科技大學(xué)