一种多输入多输出雷达波形设计方法技术

一种多输入多输出雷达波形设计方法，属于雷达通信技术领域。本发明专利技术的目的是提供一种具有更低的相关旁瓣和频谱抑制深度，且效率高、耗时少、并具有较高的鲁棒性、具有良好时频抗干扰性能的设计方法。根据雷达场景中强散射体与待测目标的相对位置，预估自相关旁瓣抑制模糊区间，进而构造相应的目标函数；分析MIMO雷达波形正交性约束，构造满足正交性约束的目标函数；根据场景先验信息预估频域干扰模糊频带区间，进而构造相应目标函数；构造恒模相位编码波形约束条件；构造松弛交替投影算法框架；根据所提松弛交替投影算法框架求解波形设计，给出三种波形优化输出方式。采用松弛交替投影恒模波形编码设计，可使MIMO雷达具有更好的检测性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于雷达通信
，特别涉及MM0雷达满足时域频域任务需求的雷 达波形设计方法。
技术介绍
当今军事或民用需求使得雷达任务场景日趋复杂。为应对复杂变化的场景， 雷达自适应性显得尤为重要。其中，波形分集可视为自适应性的一种体现且成为目前 石开宄的热点（见文献：Cognitive radar: a way of the future, Haykin S. ；Signal Processing Magazine, IEEE, 2006, 23(1):30-40 ；Adaptive radar phase-coded waveform design, J. D. Zhang, X. H. Zhu, H. Q. Wang ；Electron. Lett. 2009, 45 (20) 1052 - 1053 ；Spatial diversity in radars-modeIs and detection performance, Eran, F. , Alexander, H. , &Ri ck，S.B. ; IEEE Transactions on Signal Processing, 2006, 54 (3) ,823 - 838)。无论是相 控阵雷达还是MM0雷达，波形分集既能提高目标识别能力又能提高分辨力，已然成为提高 雷达自适应性的重要切入点。以MIM0雷达为例，考虑到接收端滤波器可视为波形的相关函 数，结合波形设计与复杂任务场景分类：避免强散射体距离旁瓣遮蔽、防止不同阵元间波形 互扰、躲避特定频带电磁干扰，这三者即成为波形设计的基本要求。此外，为充分利用发射 机功率，恒模特性亦成为客观要求。 避免强散射体遮蔽效应需要发射波形具备较低的自相关旁瓣；消除不同阵元相 互影响要求发射波形正交化；抑制特定频带电磁干扰要求发射波形频谱具备稀疏特性； 另外，恒模约束往往使得设计问题非凸。以上这些要求使得波形设计问题较为困难。针 对恒模波形提出的循环算法族（Cyclic Algorithm New，CAN)，其思路是基于相关特性 与功率谱之间的傅里叶对应关系，逐步迭代以优化所选目标函数（见文献：Waveform design for active sensing systems:a computational approach, He H, Li J, Stoica P. ;Cambridge University Press, 2012)。但该算法耗时过长、相关旁瓣电平幅度较差， 难以满足工程实践。但其给后续研宄提供了众多启示，以交替投影为机制的改进循环算 法框架，获得了比CAN算法族更明显的效果（见文献：零自相关区相位编码波形设计， 李风从，赵宜楠，乔晓林；电子学报，2013, 12:2499-2502;基于秩亏傅里叶变换的交替 投影编码波形设计，赵宜楠，李风从，王军，乔晓林；电子学报，2014, 06:1216-1219; Computational design of optimal waveforms for MIM0 radar via multi-dimensional iterative spectral approximation, Zhao Y N, Li F C, Zhang T ;Multidm syst sign process，11045-01400288-1，2014);但算法初始化导致非凸问题求解稳定性较差。除此 之外，利用遗传算法对MIM0雷达正交波形进行设计（见文献：Polyphase orthogonal code design for MIM0 radar systems, Liu B, He Z, Zeng J ；2006 CIE international conference on radar, 2006:1-4);但该算法在迭代优化的后期往往出现群体多样性较差， 导致局部最优解而陷入停滞，另外算法规模也成为限制其效率的因素。但针对实际MIM0雷 达场景，此类算法可能耗时过长且难以收敛。利用序列二次规划与加权迭代方法求解波形 设计问题，权值步长的搜索机制难以自适应；此类基于梯度矩阵的算法在多阵元情形计算 复杂度较高，且可能出现高阶矩阵奇异而难以收敛（见文献：一种空时联合优化的MMO雷 达波形设计方法，王旭，周生华，刘宏伟，保铮；西安电子科技大学学报，2014, 03:41-48)。 因恒模导致的非凸问题往往收敛缓慢且难以得到全局最优解，而交替投 影算法对于凸范数求解亦可能存在局部停滞而难以收敛（见文献：〇n pro jection algorithms for solving convex feasibility problems,Bauschke H H,Borwein J M,SIAM review,1996, 38(3):367-426 ；An alternating projection that does not converge in norm, Hundal H S，Nonlinear Analysis:Theory,Methods&Applicatio ns，2004, 57 (1) : 35-61)，而松弛交替投影算法作为一种高效且耗时较少算法（见文献： Relaxed alternating projection methods, A. Cegielski, A. Suchocka, SIAM Journal on Optimization, vol. 19(3)，2008, pp. 1093-1106)，结合迭代谱近似思想可用来解决以恒模 波形设计为代表的非凸问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有更低的相关旁瓣和频谱抑制深度，且效率高、耗时 少、可有效避免局部最优，并具有较高的鲁棒性、具有良好时频抗干扰性能的多输入多输出 雷达波形设计方法。 本专利技术为解决上述技术问题采取的技术方案是： -种多输入多输出雷达波形设计方法，包括以下步骤： 步骤1:根据雷达场景中强散射体与待测目标的相对位置，预估自相关旁瓣抑制 模糊区间，进而构造相应的目标函数： 设M个发射阵元的MIM0雷达系统，其第m个阵元窄带恒模相位编码波形序列可表 不为，N表征信号码长，itnG 为第nth时刻编码相位；因接收端滤波器可视为发射波形的相关函数，假定感兴趣的待测目 标在第pth距离单元；那么在第Ith单元的强散射体势必要对pth单元目标造成影响；对于第 p th距离单元，为最小化临近距离单元中强散射体产生的距离旁瓣对它的干扰，应使发射波 形1的自相关函数a (Xm)满足如下条件：其中，a (xm) = T表示自相关函数序 列；毛，表示理想波形；Qi= {± |z-p| |z G ZiUm-L-N+l}表示旁瓣干扰区间，&表示距离 向分布的强散射体位置集合； 对于强散射体遮蔽干扰问题，发射波形Xm应使得目标函数J(Xm)最小化，即：其中N ? | |表示欧式范数，视为距离度量函数；由Parseval等价性可知：其中，表示离散傅里叶变换矩阵，表示自相 关函数的傅里叶变换，即功率谱；如果令?/" :和fm分别表征理想波本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多输入多输出雷达波形设计方法，其特征是包括以下步骤：步骤1：根据雷达场景中强散射体与待测目标的相对位置，预估自相关旁瓣抑制模糊区间，进而构造相应的目标函数：设M个发射阵元的MIMO雷达系统，其第m个阵元窄带恒模相位编码波形序列可表示为xm(n)=ejψn,]]>N表征信号码长，ψn∈[0,2π]为第nth时刻编码相位；因接收端滤波器可视为发射波形的相关函数，假定感兴趣的待测目标在第pth距离单元；那么在第lth单元的强散射体势必要对pth单元目标造成影响；对于第pth距离单元，为最小化临近距离单元中强散射体产生的距离旁瓣对它的干扰，应使发射波形xm的自相关函数α(xm)满足如下条件：αk(x~m)=0,k∈Qlαk(xm),k∉Ql]]>其中，α(xm)=[α0(xm)…αN‑1(xm) 0 α‑N+1(xm)…α‑1(xm)]T表示自相关函数序列；表示理想波形；Ql={±|z‑p||z∈Zl}\{N‑1,‑N+1}表示旁瓣干扰区间，Zl表示距离向分布的强散射体位置集合；对于强散射体遮蔽干扰问题，发射波形xm应使得目标函数J(xm)最小化，即：minxmJ(xm)=||α(xm)-α(x~m)||2]]>其中||·||表示欧式范数，视为距离度量函数；由Parseval等价性可知：||α(xm)-α(x~m)||2=||FN^α(xm)-FN^α(x~m)||2]]>其中，表示离散傅里叶变换矩阵，表示自相关函数的傅里叶变换，即功率谱；如果令和fm分别表征理想波形和设计波形的频谱，即C为扩展矩阵，其通过扩充零元素使得矩阵运算时维度一致；那么易得：其中⊙表示按元素的Hadamard积，(·)*表示取共轭操作；目标函数写为：步骤2：分析MIMO雷达波形正交性约束，构造满足正交性约束的目标函数：对于MIMO发射波形矩阵而言，波形之间正交性体现在互相关函数上；第nth时刻的发射波形相关矩阵Rn(X)的非主对角线部分尽可能逼近零，主对角元素为各阵元发射波形的自相关表示：Rn(X)≈diag(αn(X~))]]>U(n)=IN×N,n=00I(N-n)×(N-n)00,0<n<NUT(-n),-N<n<00N×N,|n|≥N]]>其中表示nth时刻由理想波形矩阵的自相关形成的对角矩阵；U(n)表示偏移矩阵，I表示单位矩阵；为解决不同阵元波形间互扰构造目标函数J2(X)，同样考虑Parseval等价性，得到如下：J2(X)=minXΣn=-(N-1)N-1||Rn(X)-diag(αn(X~))||F2=minXΣn=-(N-1)N-1||FN^CTRn(X)-FN^CTdiag(αn(X~))||F2]]>其中||·||F表示矩阵的Frobenius范数；步骤3：根据场景先验信息预估频域干扰模糊频带区间，进而构造相应目标函数：假定可能存在电磁干扰的频段区间集合为那么发射波形频谱应在此区间内设为阻带，由傅里叶变换的性质可知，频谱为：W=FN^CTX]]>其中：Ns表示相应频段数目，表示单位离散傅里叶变换矩阵，且有为使得频谱离散采样足够密以表征区间信息，设定由上式可知，如果从离散傅里叶变换矩阵的行空间中抽取特定行来构成矩阵P，且所抽取行序号与Ω在频谱W中频段相对应，用向量表征中稀疏凹口序列且满足w~n=1,fn∈Ω~;w~n=0,fn∉Ω~,]]>fn为频谱W中频率的采样，从而使得：W~=PCTX]]>只要幅度足够低就满足频谱稀疏特性，即目标函数J3(X)最小化，从而达到任务要求：J3(X)=minXPCTX]]>步骤4：构造恒模相位编码波形约束条件，即最大化发射功率要求恒模约束，也即：|Xn,m|=1,n=1,…N.m=1,..,M步骤5：构造松弛交替投影算法框架：假定集合A代表约束集合（即满足恒模约束），集合B代表目标集合（即满足子任务要求），构造变量x,y到集合A,B的投影ProjA(x)和projB(y)，如下所示：ProjA(x)=argmina∈Ad(x,a)]]>ProjB(y)=argminb∈Bd(y,b)]]>其中d(i,j)=||i‑j||表示变量i,j的距离函数。那么交替投影机制可简述为：迭代映射T:A→B→A。然后，引入松弛交替投影框架：Tδ(·),λx=ProjA(x+λ·δ(x)·(ProjA(ProjB(x))‑x))xk+1=T...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宜楠，赵占锋，冯翔，周志权，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23