一种MIMO雷达发射方向图与波形设计方法技术

本发明专利技术公开了一种MIMO雷法发射方向图和波形设计方法，属于雷达技术领域，用于生成雷达的发射波形和发射方向图。本发明专利技术针对多目标场景设计优化的波形和发射方向图，首先根据先验信息对期望发射方向图建模，其次将发射信号构造为一组正交信号的加权求和，从而可通过求解权值优化问题同时获得优化波形和优化发射方向图，最后通过借鉴并改进离散长球（DPS）序列产生原理根据期望发射方向图设计发射方向图。本发明专利技术在降低计算量的同时，可将发射能量根据期望方向图优化分配在空中多个感兴趣的方向上，并对各感兴趣方向上的能量具有较好的控制效果。

【技术实现步骤摘要】
一种MIMO雷达发射方向图与波形设计方法
本专利技术涉及雷达
，尤其涉及一种MIMO雷达发射方向图和发射波形的优化设计方法。
技术介绍
近年来，多输入多输出(MIMO)雷达的应用和研究越来越广泛。较之相控阵雷达系统，MIMO雷达具有较好的分辨率、较高的动目标检测性能以及参数估计性能等。波形设计是提高雷达系统检测、估计和识别等性能的关键技术。对于MIMO雷达系统，波形设计的准则是多样化的。包括提高信噪比(SNR)；改善检测性能；减少均方误差(MMSE)；提高空域和时域的分辨率等，同时还有基于互信息和基于发射波束图的波形设计。空间某个方向上的发射波束图代表的是该方向上发射合信号的平均功率。基于发射波束图的波形设计方法利用MIMO雷达不同天线可以发射不同信号的特性，通过设计各发射信号间的互相关矩阵来拟合期望的发射波束图。对于不同的目标场景和设计目标，期望发射波束图的形状以及对实际发射波束图和期望发射波束图之间近似度的判定方法也会有所不同。针对不同的设计问题，学者们提出了多种基于发射波束图的设计方法。包括李剑等人研究的最大化功率法、方向图匹配法、最小化方向图旁瓣设计方法、以及华光等人研究的控制波动和发射带宽的发射方向图设计方法等。以上所有方法的中心思想均可以理解为将发射能量分配到感兴趣的方向上。SergiyA.Vorobyov等人在研究来波角(DOA)估计问题时提出一种基于能量集中的DOA估计方法。该方法采用发射波束空间处理(TBP)技术将发射能量集中在期望的空域范围内，从而提高估计性能。华光等人指出将TBP技术用于设计发射方向图，可以化简基于发射方向图的波形优化问题。在传统的基于发射方向图的MIMO雷达波形设计中，直接优化波形比优化波形的协方差矩阵要复杂的多。因此传统的基于发射方向图的波形设计方法将波形设计分成两步：第一步先获得优化的发射信号协方差，第二步根据优化的发射信号协方差综合出优化波形。采用TBP技术可以在第一步之后很容易获得优化波形，从而避免通过一些复杂的迭代方法获得优化波形。离散长球(DPS)序列是一组同时具有时限特性和带限特性的正交序列，其产生原理为在时域能量一定的情况下，令信号在给定带宽内的能量占信号在总带宽内能量的比值最大。SergiyA.Vorobyov等人利用DPS序列的产生原理给出了一种将发射能量集中在期望空域范围内的方法。但是该方法受DPS序列性质的约束，具有一定的局限性。已知可用带宽为[-B,B]时，DPS可以将能量集中在[-WB,WB]内，W≤1/2。因此根据DPS序列的产生原理，SergiyA.Vorobyov等人提出的方法只能把发射能量集中在[-Θ,Θ]内，且0≤Θ≤π/2。当感兴趣的观测空间范围较小，即多个目标集中在空域范围[-Θ,Θ]内且Θ的值较小时，相对于传统全向发射的MIMO雷达，该方法通过将能量集中在[-Θ,Θ]内可以很大程度的获得能量集中带来的优势。然而，当多个目标分散在空域多个区间范围内的时候，为了能够检测到所有目标，期望的空域范围也跟着变大，当期望空域范围增大到接近于全向空域范围的时候，该发射波束空间设计方法的优势就不存了。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有技术的不足，本专利技术提出一种MIMO雷达发射方向图和波形设计方法，在减小计算量的同时，具有较优的能量控制性能。技术方案：本专利技术公开了一种MIMO雷达发射方向图和波形设计方法，包括以下步骤：(1)根据先验信息对期望发射方向图建模，期望发射方向图为：其中，Θk,k＝1,…,K表示空域内互不重叠的任意K个区间，K为目标场景中目标的个数，αk为区间Θk内的期望发射功率，pd(θ)为期望发射方向图；(2)将发射信号构造为一组正交序列(本专利采用DPS序列作为构造发射信号的正交序列)的加权求和，针对多目标场景通过借鉴并改进DPS序列生成原理设计关于正交序列的个数和权值的优化问题，通过求解所述优化问题同时获得优化波形和优化发射方向图，所述权值优化问题中用于优化波形权值系数的矩阵为其中，φt＝2πdtsinθ/λ和dt＝λ/2分别代表空间相位差和相邻发射天线间的距离，λ为发射波形的波长，M为发射天线个数。进一步地，所述步骤(2)中，包括以下步骤：(2.1)根据雷达工作的相对频带宽度W和脉冲内采样点数N产生一组DPS序列；(2.2)在所述的一组DPS序列中，选择前NR个DPS序列，其中NR≤M，以加权求和的方式，构造第m,m＝1,…,M，个天线发射的波形sm[n]，其中，vi[n；N,W]表示第i个DPS序列，dm,i为第m个发射波形中对应于第i个DPS序列的权值系数；(2.3)将构造的M个波形构成发射波形向量s[n]＝[s1[n],…,sM[n]]T，并表示成s[n]＝Dv[n]，其中，为波形权值系数矩阵，di＝[d1,i,…,dM,i]T；(2.4)将发射方向图和波形优化问题转化为关于矩阵D的优化问题，构造用于优化波形权值系数的矩阵基于矩阵AS和雷达发射总能量E0，以取最大值为目标，以发射总能量一定且当i≠i′时有为约束条件，求得最优的NR和di,i＝1,…,NR，i′＝1,…,NR；(2.5)将步骤(2.4)求得的NR和di,i＝1,…,NR代入到发射方向图p(θ；D)＝aH(θ)DDHa(θ)中，得到优化的发射方向图；(2.6)将步骤(2.4)求得的NR和di,i＝1,…,NR代入到步骤(2.3)中的发射波形向量中，得到优化波形sopt[n]。进一步地，所述步骤(2.4)中基于矩阵AS和雷达发射总能量E0，以取最大值为目标，以发射总能量一定且当i≠i′时有为约束条件，求得最优的NR和di,i＝1,…,NR，i′＝1,…,NR，包括以下步骤：(2.4.1)对矩阵AS做特征分解，得到特征值λA,i，i＝1,…,M,及对应的归一化特征向量qA,i；(2.4.2)令NR_num＝1,计算di＝||di||qA,i，i＝1,…,NR_num，其中λA,j为矩阵AS的第j个特征值，j＝1,…,NR_num；(2.4.3)将步骤(2.4.2)中计算得到的di,i＝1,…,NR_num,代入目标函数将获得的目标函数值记作Γmax，令NR＝NR_num；(2.4.4)令NR_num＝NR_num+1，计算di＝||di||qA,i，i＝1,…,NR_num，其中(2.4.5)将步骤(2.4.4)中计算得到的di,i＝1,…,NR_num,代入目标函数将获得的目标函数值记作Γnew；(2.4.6)将Γnew与Γmax对比，若Γnew＞Γmax，则令Γmax＝Γnew且NR＝NR_num，否则不做任何操作；(2.4.7)重复步骤(2.4.4)至步骤(2.4.6)，直到NR_num＝M+1。有益效果：本专利技术采用基于发射空间的MIMO雷达信号模型，通过对一组正交的发射信号加权求和，在空域中形成若干个发射波束，并借鉴并改进离散长球(DPS)序列的产生原理，针对多目标场景设计发射波束图，将发射能量分配在空中若干个感兴趣的方向上，并同时获得满足期望方向图的最优波形。与现有技术相比，具有如下优点：通过在优化波形前选择一组具有正交特性的DPS序列加权求和来构造波形，使得波形设计由原来的两个步骤：先设计波形协方差矩阵，然后再从设计获得的矩阵中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种MIMO雷达发射方向图与波形设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据先验信息对期望发射方向图建模，所述期望发射方向图模型为：其中，Θk,k＝1,…,K表示空域内互不重叠的任意K个区间，K为目标场景中目标的个数，αk为区间Θk内的期望发射功率；(2)将发射信号构造为一组正交序列的加权求和，通过借鉴并改进DPS序列生成原理设计关于正交序列的个数和权值的优化问题，通过求解所述优化问题同时获得优化波形和优化发射方向图，所述优化问题中用于优化波形权值系数的矩阵为AS=Σk=1K∫Θkαka(θ)aH(θ)dθ]]>其中，φt＝2πdtsinθ/λ和dt＝λ/2分别代表空间相位差和相邻发射天线间的距离，M为发射天线个数。

【技术特征摘要】
1.一种MIMO雷达发射方向图与波形设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据先验信息对期望发射方向图建模，期望发射方向图为：其中，Θk,k＝1,…,K表示空域内互不重叠的任意K个区间，K为目标场景中目标的个数，αk为区间Θk内的期望发射功率，pd(θ)为期望发射方向图；(2)将发射信号构造为一组正交序列的加权求和，通过借鉴并改进DPS序列生成原理设计关于正交序列的个数和权值的优化问题，通过求解所述优化问题同时获得优化波形和优化发射方向图，所述优化问题中用于优化波形权值系数的矩阵为其中，φt＝2πdtsinθ/λ和dt＝λ/2分别代表空间相位差和相邻发射天线间的距离，λ为发射波形的波长，M为发射天线个数；所述步骤(2)中，包括以下步骤：(2.1)根据雷达工作的相对频带宽度W和脉冲内采样点数N产生一组DPS序列；(2.2)在所述的一组DPS序列中，选择前NR个DPS序列，其中NR≤M，以加权求和的方式，构造第m,m＝1,…,M，个天线发射的波形sm[n]，其中，vi[n；N,W]表示第i个DPS序列，dm,i为第m个发射波形中对应于第i个DPS序列的权值系数；(2.3)将构造的M个波形构成发射波形向量s[n]＝[s1[n],…,sM[n]]T，并表示成s[n]＝Dv[n]，其中，为波形权值系数矩阵，di＝[d1,i,…,dM,i]T；(2.4)将发射方向图和波形优化问题转化为关于矩阵D的优化问题，构造用于优化波形权...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪霜玲，何子述，易侃，黄松华，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第二十八研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32