基于循环前缀的MIMO-OFDM雷达成像方法技术

本发明专利技术提出一种基于循环前缀的MIMO-OFDM雷达成像方法，主要解决现有技术中存在距离单元间干扰的问题。其实现过程是：设计基于循环移位Zadoff-Chu序列作为MIMO-OFDM各天线发射的离散时域波形；在各离散时域波形的开头插入循环前缀；对插入循环前缀的信号进行数/模变换，并加入雷达载频，产生各发射天线的发射信号；通过多个空间滤波器将全测绘带划分成多个子测绘带，得到各子测绘带的基带离散回波信号，并对该信号进行无距离单元间干扰的距离重建，实现成像。本发明专利技术能够避免距离单元间干扰的影响，在保证高距离分辨率和空间分集性的前提下，更有效地重建距离像，可用于合成孔径雷达的探测和成像过程。

【技术实现步骤摘要】
基于循环前缀的MIMO-OFDM雷达成像方法
本专利技术属于雷达
，具体涉及一种多输入多输出正交频分复用MIMO-OFDM合成孔径雷达SAR的成像方法。
技术介绍
随着现代雷达技术的发展，多输入多输出MIMO雷达己经被广泛研究，成为现代雷达体系的一个重要研究方向。分集MIMO雷达具有空间多样性，能够有效地提高空间分辨率。但是，为了保证分集MIMO雷达的空间多样性，多个发射天线所发射的信号波形必须相互正交，这对于具有高距离和方位分辨率的合成孔径雷达来说通常是很难设计的。因此，如何进行MIMOSAR系统的波形设计是当前研究的一个重点问题。现有的MIMOSAR系统波形设计为了保证空间多样性，多个波形间采用互不重叠的频带，这种方法由于降低了距离分辨率，会引起距离模糊。如果要保证距离分辨率不降低，则多个波形间就需要采用相同的频带，但是这样不同波形的时域延迟形式就不是相互正交的，对于MIMOSAR系统就不能获得全空间多样性。正交频分复用OFDM波形近年来被应用在SAR系统中。为了获得适用于MIMOSAR成像的一组正交OFDM波形，研究者们提出了频率域的交互框架结构，该结构将有效带宽划分为一些互不重叠的子带。但是，这些SAR成像方法均采用传统的匹配滤波器，会产生距离单元间干扰IRCI，影响成像的性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述已有技术的不足，提出了一种基于循环前缀的MIMO-OFDM雷达成像方法，以避免距离单元间干扰IRCI的产生，提高成像性能。为实现上述目的，本专利技术的技术方案包括如下步骤：(1)根据MIMO雷达需要发射正交波形的要求，设计基于循环移位Zadoff-Chu序列作为MIMO-OFDM雷达各天线发射的离散时域波形sm(n)，m＝1,…,MT，n＝0,…,N-1，其中MT为发射天线个数，N为子频带个数；(2)在各发射天线的离散时域波形sm(n)的开头插入一个长度为L的循环前缀，得到插入循环前缀后的信号：(3)对插入循环前缀后的信号um(n)进行数/模变换，得到连续时间信号um(t)，并在该um(t)中加入雷达载频fc，产生各发射天线的发射信号；(4)接收阵列天线通过多个空间滤波器将全测绘带划分成Q个子测绘带，并得到各子测绘带的基带离散回波信号为rp(n)，0≤n<N+Lp+L-1，1≤p≤Q，其中Lp为第p个子测绘带的距离单元数；(5)对各子测绘带的基带离散回波信号rp(n)进行无距离单元间干扰的距离重建，得到每个天线全测绘带的雷达散射截面积RCS系数为：hm(n)＝[h1,m(n),…,hp,m(n),…,hQ,m(n)]，m＝1,…,MT，0≤n<Lp，该RCS系数即为雷达的距离像。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：第一，本专利技术由于在发射的OFDM信号中插入了循环前缀，并在回波处理中采用了一种新的距离重建算法，能够避免IRCI对成像性能的影响；第二，本专利技术由于采用Zadoff-Chu序列作为MIMO-OFDM雷达的发射脉冲信号，多个发射波形采用相同的频带，且发射波形峰值旁瓣比为1，保证了高距离分辨率和发射功率效率，并且发射波形间相互完全正交，也保证了空间分集性。附图说明图1是本专利技术的实现总流程图；图2是本专利技术中MIMO-OFDMSAR信号发射过程示意图；图3是本专利技术中采用空间滤波器的MIMO-OFDMSAR信号接收过程示意图；图4是本专利技术中的距离重建示意图；图5是采用本专利技术方法的成像性能图；图6是采用本专利技术方法与采用传统MIMOchirp波形、OFDMchirp波形在无噪声环境下的成像性能对比图；图7是采用本专利技术方法与采用传统MIMOchirp方法的重建距离像均方根误差图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的实施例和效果作进一步详细描述。参照图1，本专利技术的成像分为三部分：第一部分，产生各天线的发射信号，具体产生过程如图2；第二部分，在接收端将全测绘带划分为多个子测绘带，得到各子测绘带的基带离散回波信号，如图3；第三部分，对基带离散回波信号进行无距离单元间干扰的距离重建，如图4。第一部分，产生各天线的发射信号。如图2所示，该部分的实现步骤如下：步骤1，根据MIMO雷达需要发射正交波形的要求，设计基于循环移位Zadoff-Chu序列作为MIMO-OFDM各天线发射的离散时域波形。1a)采用Zadoff-Chu序列产生第一个天线的频域波形：其中，N是子频带个数，μ是一个小于N并与N互质的整数，<N>2表示N除以2的余数，j表示虚数单位；1b)对S1(k)进行N点逆离散傅里叶变换IDFT，得到S1(k)的离散时域波形为：其中(·)*表示取复共轭，s1(0)表示0时刻的时域波形，n＝0,…,N-1。可以看出对于每个n均有|s1(n)|＝|s1(0)|，其中|·|表示取模值，即s1(n)是恒定模值序列；1c)设计第二个天线的频域波形为：其中β＝exp(-jπμN/4)，S1(<k-N/2>N)＝βS1(k)exp(jπk)是位移量为N/2的S1(k)的循环移位表示式。根据Zadoff-Chu序列的零周期相关特性可知，S1(k)和S2(k)是正交的。离散频率域正交性的优点在于它不受时域的时延影响，而离散时域正交性是时延敏感的；1d)对S2(k)进行N点IDFT，得到S2(k)的离散时域波形为：s2(n)＝β*s1(n)exp(jπn)，n＝0,…,N-1，s2(n)也是一个恒定模值序列；1e)利用步骤1c)和1d)中所采用的设计方法，得到Sm(k)，m＝2,3,…,MT的离散时域波形为：sm(n)＝β*sm-1(n)exp(jπn)，m＝2,3,…,MT，n＝0,…,N-1，其中，MT为发射天线个数。sm(n)均为恒定模值序列。步骤2，在各发射天线的离散时域波形sm(n)的开头插入一个长度为L的循环前缀，得到插入循环前缀后的信号：其中，循环前缀的长度L应该至少等于一个子测绘带的最大距离单元数，这样才能够抑制距离旁瓣。步骤3，对插入循环前缀后的信号um(n)进行数/模变换，得到连续时间信号um(t)，并在该um(t)中加入雷达载频fc，产生各发射天线的发射信号。第二部分，在接收端将全测绘带划分为多个子测绘带，得到各子测绘带的基带离散回波信号。如图3所示，该部分的实现步骤如下：步骤4，接收阵列天线通过多个空间滤波器将全测绘带划分成Q个子测绘带，并得到各子测绘带的基带离散回波信号。4a)接收阵列天线通过多个空间滤波器将全测绘带划分为Q个子测绘带，所有子测绘带的最大距离单元Lo满足Lo≤NMT，其中Lo＝max(L1,…,Lp,…,LQ)，max(·)表示求最大值，Lp为第p个子测绘带的距离单元数，并且每个发射OFDM波形的循环前缀长度L＝Lo；4b)采用模/数变换对回波信号采样，采样频率为fs＝B，其中B＝NΔf为发射波形带宽，Δf为两相邻子载频的频率差，得到第p个子测绘带的基带离散回波信号为：其中hp,m(l)＝gp(l)hm(l)，表示第p个空间滤波响应，rect(·)表示矩形窗函数，hm(l)表示第m个发射波形对应的第l个距离单元的雷达散射截面积RCS系数，v(n)表示第n个采样点的噪声。gp(l)在间隔内值为1，其他情况下值为0，gp(l)为理想的空间滤本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于循环前缀的MIMO‑OFDM雷达成像方法，包括如下步骤：(1)根据MIMO雷达需要发射正交波形的要求，设计基于循环移位Zadoff‑Chu序列作为MIMO‑OFDM雷达各天线发射的离散时域波形sm(n)，m＝1,…,MT，n＝0,…,N‑1，其中MT为发射天线个数，N为子频带个数；(2)在各发射天线的离散时域波形sm(n)的开头插入一个长度为L的循环前缀，得到插入循环前缀后的信号：um(n)=sm(n+N-L),0≤n<Lsm(n-L),L≤n<L+N-1;]]>(3)对插入循环前缀后的信号um(n)进行数/模变换，得到连续时间信号um(t)，并在该um(t)中加入雷达载频fc，产生各发射天线的发射信号；(4)接收阵列天线通过多个空间滤波器将全测绘带划分成Q个子测绘带，并得到各子测绘带的基带离散回波信号为rp(n)，0≤n＜N+Lp+L‑1，1≤p≤Q，其中Lp为第p个子测绘带的距离单元数；(5)对各子测绘带的基带离散回波信号rp(n)进行无距离单元间干扰的距离重建，得到每个天线全测绘带的雷达散射截面积RCS系数为：hm(n)＝[h1,m(n),…,hp,m(n),…,hQ,m(n)]，m＝1,…,MT，0≤n＜Lp，该RCS系数即为雷达的距离像。...

【技术特征摘要】
1.一种基于循环前缀的MIMO-OFDM雷达成像方法，包括如下步骤：(1)根据MIMO雷达需要发射正交波形的要求，设计基于循环移位Zadoff-Chu序列作为MIMO-OFDM雷达各天线发射的离散时域波形sm(n)，m＝1,…,MT，n＝0,…,N-1，其中MT为发射天线个数，N为子频带个数；(2)在各发射天线的离散时域波形sm(n)的开头插入一个长度为L的循环前缀，得到插入循环前缀后的信号：(3)对插入循环前缀后的信号um(n)进行数/模变换，得到连续时间信号um(t)，并在该um(t)中加入雷达载频fc，产生各发射天线的发射信号；(4)接收阵列天线通过多个空间滤波器将全测绘带划分成Q个子测绘带，并得到各子测绘带的基带离散回波信号为rp(n)，0≤n<N+Lp+L-1，1≤p≤Q，其中Lp为第p个子测绘带的距离单元数；(5)对各子测绘带的基带离散回波信号rp(n)进行无距离单元间干扰的距离重建，得到每个天线全测绘带的雷达散射截面积RCS系数为：hm(n)＝[h1,m(n),…,hp,m(n),…,hQ,m(n)]，m＝1,…,MT，0≤n<Lp，该RCS系数即为雷达的距离像。2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(1)所述的设计基于循环移位Zadoff-Chu序列作为MIMO-OFDM雷达各天线发射的离散时域波形sm(n)，按如下步骤进行：1a)采用Zadoff-Chu序列产生第一个天线的频域波形：其中，μ是一个小于N并与N互质的整数，<N>2表示N除以2的余数，j表示虚数单位；1b)对S1(k)进行N点逆离散傅立叶变换IDFT，得到S1(k)的离散时域波形为：其中(·)*表示取复共轭，s1(0)表示0时刻的时域波形，n＝0,…,N-1；1c)设计第二个天线的频域波形为：其中β＝exp(-jπμN/4)，S1(<k-N/2>N)＝βS1(k)exp(jπk)是位移量为N/2的S1(k)的循环移位表示式；1d)对S2(k)进行N点IDFT，得到S2(k)的离散时域波形为：s2(n)＝β*s1(n)exp(jπn)，n＝0,…,N-1；1e)利用步骤1c)和1d)中所采用的设计方法，得到Sm(k)的离散时域波形为：sm(n)＝β*sm-1(n)exp(jπn)，m＝2,3,…,MT，n＝0,…,N-1。3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(4)所述的接收阵列天线通过多个空间滤波器将全测绘带划分成Q个子...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹运合，王宇，夏香根，王胜华，周生华，谢荣，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61