一种面向多目标ISAR成像任务的MIMO雷达波形优化设计方法技术

本发明专利技术提供一种面向多目标ISAR成像任务的MIMO雷达波形优化设计方法，包括：第一步：MIMO雷达发射相位随机的初始信号；第二步：设计波形优化的模型，并对模型进行求解得到最优波形；第三步：利用所设计的最优波形对多个方位的目标同时成像；所提的面向多目标ISAR成像任务的MIMO雷达波形优化设计方法，将通过搜索和跟踪等方式获得各目标的位置、雷达散射截面积(RCS)、速度等先验信息以及成像对雷达发射波形的带宽限制作为波形优化的重要约束条件，在此基础上建立了面向多目标成像任务的波形优化模型，并通过共轭梯度法求解。所设计波形可在各目标方向上形成波束，且不同目标方向上形成的波束与其相应方向的目标特性相匹配。仿真结果表明，所设计波形可同时对多个方向的目标同时成像且具有较好的成像效果。

A MIMO radar waveform optimization design method for multi objective ISAR imaging tasks

The present invention provides optimization design method of MIMO radar waveform for multi target ISAR imaging tasks include: first step: MIMO radar signal with random initial phase; the second step: the design of waveform optimization model, and the model is solved to obtain the optimal waveform; the third step: the optimal waveform design for multiple range at the same time the target imaging; optimization design method of MIMO radar waveform proposed for multiple target ISAR imaging tasks, will get the position, the target radar cross section area through searching and tracking mode (RCS) and speed of a priori information and imaging of radar waveform bandwidth limitation as an important constraint for waveform optimization. Based on the waveform optimization model for multi target imaging tasks, and the conjugate gradient method for solving. The designed waveform can form a beam in the direction of the target, and the beam formed in different target direction matches the target characteristic of the corresponding direction. The simulation results show that the designed waveform can be used for simultaneous imaging of multiple targets simultaneously and has good imaging results.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及信号与信息处理技术，具体涉及一种针对多目标ISAR成像任务的MIMO雷达波形优化设计方法。
技术介绍
MIMO(MultipleInputMultipleOutput)雷达是近年雷达领域提出的一种新的雷达体制,它具有多个发射和接收天线。根据各天线间距的“远近”，MIMO雷达可分为统计型MIMO雷达和相参型MIMO雷达。相参型MIMO雷达具有较小的天线间距，远场目标回波对于收发天线阵来说都是相关的，且其各天线可发射不同信号而获得良好的波形分集增益。因此，MIMO雷达可以根据实际应用灵活地设计发射波形。目前，MIMO雷达波形优化设计已成为研究热点，并取得了很多研究成果。为使雷达发射信号在空域合成期望发射方向图，杨晓超等《最小化旁瓣的MIMO雷达发射方向图优化算法》(电子与信息学报,2013,35(12):2815-2822)，王旭等在《一种基于先验信息的MIMO雷达发射方向图设计方法》(电子与信息学报,2013,35(12):2802-2808)中分别提出了相应办法。但是，这些算法大都是根据跟踪、检测雷达任务的需要设计的窄带发射信号，并没有考虑成像任务对波形优化设计的需求。目标成像可为目标识别提供重要的目标特征，在雷达任务中占有重要的地位，且成像任务要求雷达发射与目标特征相匹配的宽带信号。针对面向多目标ISAR成像任务的MIMO雷达波形优化设计，本专利技术将通过搜索和跟踪等方式获得各目标的先验信息以及成像对雷达发射波形的带宽限制作为波形优化的重要约束条件，在此基础上建立面向多目标成像任务的波形优化模型，并通过共轭梯度算法进行求解，设计出了可同时实现对不同方位的目标进行成像的MIMO雷达发射波形。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术中的不足之处，提出一种面向多目标ISAR成像任务的MIMO雷达波形优化设计方法，包括下列步骤：第一步：MIMO雷达发射相位随机的初始信号；雷达发射假设MIMO雷达的发射阵列是由M个全向天线构成的均匀线阵，阵元间距为d，第m个阵元发射的信号可以表示为式中xm(t)表示第m个阵元发射的基带信号，fc是信号载频，Tp是脉冲宽度，则发射信号在远场θ方向处合成的信号为因此，在θ方向信号在频率fc+nB/N处的功率谱可写为其中表示在频率fc+nB/N处的导向矢量。第二步：设计波形优化的模型，并对模型进行求解得到最优波形；设第m个天线发射的波形表示为其中表示xm(l)的相位，取q＝1；定义波形的相位矩阵为因此，θk方向信号在第n个频点处的功率谱和θk方向的方向图可表示为Pn(θk,Φ)＝|χn(θk,Φ)|2/N(7)其中针对方向图逼近和功率谱逼近建立关于相位矩阵的如下代价函数：其中τk(Φ)＝[U(θk,Φ)/N-u(θk)/N](10)ηhn(Φ)＝[Pn(θh,Φ)-phn](11)θk表示第k个离散方位角，K表示离散化方位角总数，u(θk)表示期望发射方向图，表示θh方向上第n个频点处的期望功率谱，表示目标方向，表示不同方位角处的方向图逼近权重，表示θh方向上不同频点处的功率谱逼近权重；代价函数的第1项表示方向图逼近，第2项表示目标方向功率谱逼近；因此，优化模型为所述优化模型中目标方向信号发射功率的确定方法如下：根据获取到的目标的飞行速度、位置以及RCS等信息以及雷达距离方程其中(S/N)o表示雷达接收机的输出信噪比，Pt表示雷达发射的信号功率，G表示雷达天线的增益，λ表示波长，σ表示目标散射截面积,k为玻尔兹曼常数，T0为标准室温，Bn为接收机噪声带宽，Fn为噪声系数，R表示目标与雷达的距离；在雷达发射总功率P一定的条件下，为保证H个目标方向的接收信号均能被检测到，令H个目标方向的接收机输出信噪比均为某一超过检测门限的确定值，则第h个目标方向的期望发射功率为其中，Rh为第h个目标方向的目标与雷达的距离。所述优化模型中目标方向带宽的确定方法如下：通常认为距离、速度以及目标运动方向体现了目标的威胁度，将目标威胁度定义为其中，υh为第h个目标方向的目标飞行速度，为第h个目标方向的目标飞行航向；威胁度高以及尺寸小的目标需要更高的距离分辨率ρr；首先，通过将H个目标方向的目标分辨率均设为固定值可获取每个目标的大致尺寸Sh；当距离分辨率ρr小于或等于目标尺寸的1/50时，可以获得较好的成像效果，由此将第h个目标方向的目标所需距离分辨率ρrh定义为因此，第h个目标方向的带宽为其中c为光速；为了区分不同目标方向的回波信号，各目标方向的发射信号应分布于正交的频带内。所述优化模型中目标方向期望功率谱的确定方法如下：在已知雷达发射信号总带宽B和总频点数N的情况下，第h个目标方向所占频点数为Nh＝round(BhN/B)且因此，在第h个目标方向上，将期望发射功率Pth均匀分布在Nh个频点上，即可得到第h个目标方向上的期望功率谱。所述优化模型中期望方向图的确定方法如下：期望方向图在目标方向上由传统波束的主瓣构成，且各目标方向上所设计方向图的总功率应与目标方向期望功率谱一致。所述优化模型的求解方法如下：式(12)是相位矩阵Φ无约束优化问题，由于非凸性，无法保证其最优解。但代价函数Q(Φ)是四阶三角多项式，四阶三角多项式目标函数的局部最优解是全局最优解的1/2近似；采用基于波形位矩阵一阶梯度信息的共轭梯度法对波形进行优化求解，并对代价函数的一阶梯度表达式进行了推导，其具体流程如下所示：步骤1：给定初始点Φ0(用随机产生方式)，及精度ε＞0；步骤2：若则优化结束且极小值点为Φ0，否则执行步骤3；步骤3：设置搜索方向并令迭代次数k＝0；步骤4：用一维线性搜索法求步长μk(本文采用进退法确定步长存在区间和采用黄金分割法确定步长)，使得并更新相位矩阵Φk+1＝Φk+μkD(k)；步骤5：计算代价函数关于相位矩阵的梯度计算并设置搜索方向为步骤6：判断终止条件是否成立，若成立则优化结束，否则令k＝k+1，执行步骤4；其中，算法中代价函数Q(Φ)关于相位矩阵Φ的梯度为其中为Hadamard乘积。第三步：利用所设计的最优波形对多个方位的目标同时成像；由式(2)可知发射信号为其中通过求解优化模型得到相位矩阵Φ，则雷达收到的回波信号为其中，σi表示散射点的散射系数，tl表示慢时间，t为全时间，Rhi(tl)表示在第h个目标方向，目标的第i个散射点在tl时刻的距离。在每个目标方向，将接收到的回波信号在距离向进行匹配滤波处理之后，在方位向对其作傅里叶变换(FFT)，即可得到对相应方向目标的成像结果。所提的面向多目标ISAR成像任务的MIMO雷达波形优化设计方法，将通过搜索和跟踪等方式获得各目标的位置、雷达散射截面积(RCS)、速度等先验信息以及成像对雷达发射波形的带宽限制作为波形优化的重要约束条件，在此基础上建立了面向多目标成像任务的波形优化模型，并通过共轭梯度法求解。所设计波形可在各目标方向上形成波束，且不同目标方向上形成的波束与其相应方向的目标特性相匹配，可同时实现对不同方位的目标进行成像的MIMO雷达发射波形。附图说明图1示出MIMO雷达发射阵列示意图；图2示出目标方向一维距离像；图3(a)示出发射方向图，图3(b)示出发射信号功率谱；图4示出飞机散射模型图，图4(a)示出-20°方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向多目标ISAR成像任务的MIMO雷达波形优化设计方法，包括下列步骤：第一步：MIMO雷达发射相位随机的初始信号；第二步：设计波形优化的模型，并对模型进行求解得到最优波形；第三步：利用所设计的最优波形对多个方位的目标同时成像。

【技术特征摘要】
1.一种面向多目标ISAR成像任务的MIMO雷达波形优化设计方法，包括下列步骤：第一步：MIMO雷达发射相位随机的初始信号；第二步：设计波形优化的模型，并对模型进行求解得到最优波形；第三步：利用所设计的最优波形对多个方位的目标同时成像。2.根据权利要求1所述的一种面向多目标ISAR成像任务的MIMO雷达波形优化设计方法，其中第一步具体为：雷达发射假设MIMO雷达的发射阵列是由M个全向天线构成的均匀线阵，阵元间距为d，第m个阵元发射的信号可以表示为sm(t)=xm(t)ej2πfct,0≤t≤Tp---(1)]]>式中xm(t)表示第m个阵元发射的基带信号，fc是信号载频，Tp是脉冲宽度，则发射信号在远场θ方向处合成的信号为s(θ,t)=Σm=0M-1Sm(t+mdsinθc)=Σm=0M-1xm(t+mdsinθc)ej2πfc(t+mdsinθc),0≤t≤Tp---(2)]]>因此，在θ方向信号在频率fc+nB/N处的功率谱可写为Pn(θ)=|anT(θ)Z(n)|2/N=anT(θ)XfnfnHXHan*(θ)/N---(3)]]>其中an(θ)=[1,ej2π(fc+nB/N)dsinθc,...,ej2π(fc+nB/N)(M-1)dsinθc]T,n=-N/2,-N/2+1,...,-N/2-1---(4)]]>表示在频率fc+nB/N处的导向矢量。3.根据权利要求1所述的一种面向多目标ISAR成像任务的MIMO雷达波形优化设计方法，其中第二步具体为：设第m个天线发射的波形表示为其中表示xm(l)的相位，取q＝1；定义波形的相位矩阵为因此，θk方向信号在第n个频点处的功率谱和θk方向的方向图可表示为Pn(θk,Φ)＝|χn(θk,Φ)|2/N(7)U(θk,Φ)=Σn=-N/2N/2-1|χn(θk,Φ)|2/N---(8)]]>其中针对方向图逼近和功率谱逼近建立关于相位矩阵的如下代价函数：Q(Φ)=Σk=1Kαk[τk(Φ)]2+1NΣh=1HΣn=-N/2N/2-1βhn[ηhn(Φ)]2---(9)]]>其中τk(Φ)＝[U(θk,Φ)/N-u(θk)/N](10)ηhn(Φ)＝[Pn(θh,Φ)-phn](11)θk表示第k个离散方位角，K表示离散化方位角总数，u(θk)表示期望发射方向图，表示θh方向上第n个频点处的期望功率谱，表示目标方向，表示不同方位角处的方向图逼近权重，表示θh方向上不同频点处的功率谱逼近权重；代价函数的第1项表示方向图逼近，第2项表示目标方向功率谱逼近；因此，优化模型为minΦQ(Φ)---(12)]]>.]]>4.根据权利要求2所述的一种面向多目标ISAR成像任务的MIMO雷达波形优化设计方法，所述优化模型中目标方向信号发射功率的确定方法如下：根据获取到的目标的飞行速度、位置以及RCS等信息以及雷达距离方程(SN)o=PtG2λ2σ(4π)3kT0BnFnR4---(13)]]>其中(S/N)o表示雷达接收机的输出信噪比，Pt表示雷达发射的信号功率，G表示雷达天线的增益，λ表示波长，σ表示目标散射截面积,k为玻尔兹曼常数，T0为标准室温，Bn为接收机噪声带宽，Fn为噪声系数，R表示目标与雷达的距离；在雷达发射总功率P一定的条件下，为保证H个目标方向的接收信号均能被检测到，令H个目标方向的接收机输出信噪比均为某一超过检测门限的确定值，则第h个目标方向的期望发射功率为Pth=PΣh=1Hσ1Rh4σhR14·σ1Rh4σhR14---(14)]]>其中，Rh为第h个目标方向的目标与雷达的距离。5.根据权利要求2所述的一种面向多目标ISAR成像任务的MIMO雷达波形优化设计方法，所述优化模型中目标方向带宽的确定方法如下：通常认为距离、速度以及目标运动方向体现了目标的威胁度，将目标威胁度定义为其中，υh为第h个目标方向的目标飞行速度，为第h个目标方向的目标飞行航向；威胁度高以及尺寸小的目标需要更高的距离分辨率ρr；首先，通过将H个目标方向的目标分辨率均设为固定值可获取每个目标的大致尺寸Sh；当距离分辨率ρr小于或等于目标尺寸的1/50时，可以获得较好的成像效果，由此将第h个目标方向的目标所需距离分辨率ρrh定义为ρrh=150Shrh≤1150VhShVh>1---(16)]]>因此，第h个目标方向的带宽为Bh=c2ρrh---(17)]]>其中c为光速；为了区分不同目标方向的回波信号，各目标方向的发射信号应分布于正交...

【专利技术属性】
技术研发人员：张群，龚逸帅，罗迎，陈怡君，孙莉，李开明，
申请(专利权)人：中国人民解放军空军工程大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61