基于部分杂波先验知识的MIMO-OFDM-STAP稳健波形设计制造技术

本发明专利技术属于信号处理领域，涉及一种基于不完全杂波先验知识的MIMO‑OFDM‑STAP稳健波形设计方法。通过将参数不确定性显式地包含进波形优化问题以减缓此敏感性。其实现步骤包括：(1)建立MIMO‑OFDM‑STAP模型以获得接收数据的表达式；(2)通过对目标函数推导，得出最优的输出SINR；(3)在恒模和总发射功率约束下，构建稳健波形优化模型；(4)提出一种迭代算法，基于对角加载(DL)技术，将迭代中的每一步非线性优化问题转化为可以获得高效求解的半定规划问题，进而完成稳健波形的优化设计。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于信号处理领域，涉及一种基于不完全杂波先验知识的MIMO-OFDM-STAP稳健波形设计方法。
技术介绍
随着MIMO通信蓬勃的发展，以及雷达为突破自身限制对新理论以及新技术的需求，MIMO雷达概念应运而生。与只能发送相干波形的相控阵雷达相比，MIMO雷达可以利用多个发射单元发射几乎任意波形。基于阵列天线间距，MIMO雷达系统可分为以下两类：(1)分置雷达，(2)共置雷达。前者采用分置较远的收发单元发射所需信号，同时从不同角度观察目标，从而可利用空间分集以克服由于目标闪烁造成的性能下降。相反，后者使用距离很近的发射单元以增加接收阵列的虚拟孔径，从而使得其性能优于相控阵雷达。正交频分复用(Orthogonalfrequencydivisionmultiplexing,OFDM)信号作为一种宽带低截获雷达波形受到越来越多的关注。OFDM雷达利用多个正交的子载波并行进行探测，从而能够有效对抗多径传播引起的频率选择性衰落，提高系统的抗干扰特性。将OFDM与MIMO技术结合起来，可以充分发挥MIMO和OFDM的优势，从而能够显著提高对目标的检测性能。空时自适应处理(STAP)是从上个世纪九十年代初发展起来的，用于对机载雷达(airborneradar)数据进行处理的技术。STAP技术在军事和民用中都有着广泛的应用，比如，地质监测，预警，地面动目标检测(GMTI)，动目标检测(MTI)，区域侦查等。对于传统的相控阵雷r>达，STAP基础理论研究已相当成熟。许多用于改善STAP复杂性以及收敛性的算法业已被提出。这些算法稍微经过修改就可以应用于MIMO雷达。MIMO雷达发射波形设计通常基于目标和环境的先验知识进行，而此先验知识通过估计得到，因而不可避免的存在估计误差。此时，波形设计难以实现最优匹配，造成系统检测性能下降。对角加载采样矩阵求逆算法(loadedsamplematrixinversion,LSMI)是常见的自适应稳健方法之一，该方法通过对采样协方差矩阵进行对角加载，可提高自适应算法的收敛速度和稳健性，但其加载量由经验参数给出，没有解析解。J.Li等基于CRB准则研究了改善参数估计性能的波形设计问题。但是该波形设计问题的求解需要某些参数的确切值，比如目标位置，反射系数等。因此，优化波形的确定将依赖于这些值。工程应用中，这些参数值由于通过估计得到，因而存在不确定性。由于参数估计的最终精度对这些不确定性比较敏感，所以基于某个参数估计值得到的优化波形可能导致较差的参数估计精度。
技术实现思路
为了改善MIMO雷达系统性能的波形设计对某些参数估计误差较为敏感的问题，本专利技术提出一种改善MIMO-OFDM雷达的STAP对地面慢速目标检测性能的稳健发射波形优化设计方法，通过将参数不确定性显式地包含进波形优化问题以减缓此敏感性。该方法首先提出一种迭代算法来优化波形协方差矩阵，然后基于对角加载(DL)技术，将迭代过程的每一步非线性优化问题转化为可以获得高效求解的半定规划问题，从而最大化最差情况下的输出SINR。仿真结果表明，与非相关发射波形相比，本专利技术可显著提高最差参数估计性能下的系统性能。本专利技术的技术方案是:一种基于不完全杂波先验知识的MIMO-OFDM-STAP稳健波形设计，包括如下步骤：(1)建立MIMO-OFDM-STAP系统模型1a)MIMO-OFDM-STAP接收信号描述考虑如说明书附图之图1所示MIMO-OFDM-STAP场景。此场景中，MIMO雷达的发射阵列和接收阵列均为均匀线阵，且平行放置，阵元数分别为M和N，阵元间距分别为dT和dR。雷达平台沿平行于发射、接收阵列的方向匀速直线飞行，飞行高度和速度分别为h和v。目标沿与发射、接收阵列法线夹角为θt的直线匀速运动，速度为vt，且与雷达平台处于同一平面。在一个相干处理间隔(CPI)内，各发射阵元同时辐射由L个脉冲组成的脉冲串波形，且脉冲重复间隔(PRI)为T。将距离环离散化为NC(NC＞＞NML)个小单元，则第l个脉冲重复间隔PRI内的接收数据可表示为： X l = ρ t e j 2 πf D l ab T S + Σ i = 0 N C - 1 ρ i e j 2 πβf s , i l a i b i T S + Z l ]]>式中，以及和分别表示目标以及位于θi的杂波发射导向矢量；表示每个PRI内发射波形矩阵，为第m个发射阵元在每个PRI内发射的复基带信号的离散形式，K为波形采样数；和分别表示目标以及位于θi的杂波的接收导向矢量；ρt和ρi(θ)分别为所考虑的距离环内目标的复幅度以及位于θi的杂波反射系数；表示第n个接收阵元在第l个PRI内接收的干扰以及噪声，我们可假设Zl的每一列独立同分布，且服从于均值为0，方差为Q的循环对称复高斯分布。1b)感兴趣距离环内空时快拍表述利用SH(SSH)-1/2作为匹配滤波器，且则相应的矢量化匹配滤波输出可表示为： x ~ l = ρ t e j 2 πf D l ( Φ ⊗ 本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于部分杂波先验知识的MIMO‑OFDM‑STAP稳健波形设计，其特征在于，包括如下步骤：(1)建立MIMO‑OFDM‑STAP系统模型1a)MIMO‑OFDM‑STAP接收信号描述：MIMO雷达的发射阵列和接收阵列均为均匀线阵，且平行放置，阵元数分别为M和N，阵元间距分别为dT和dR，雷达平台沿平行于发射、接收阵列的方向匀速直线飞行，飞行高度和速度分别为h和v，目标沿与发射、接收阵列法线夹角为θt的直线匀速运动，速度为vt，且与雷达平台处于同一平面，在一个相干处理间隔(CPI)内，各发射阵元同时辐射由L个脉冲组成的脉冲串波形，且脉冲重复间隔(PRI)为T，将距离环离散化为NC(NC＞＞NML)个小单元，则第l个脉冲重复间隔PRI内的接收数据可表示为：Xl=ρtej2πfDlabTS+Σi=0NC-1ρiej2πβfs,ilaibiTS+Zl]]>式中，以及和分别表示目标以及位于θi的杂波发射导向矢量；表示每个PRI内发射波形矩阵，为第m个发射阵元在每个PRI内发射的复基带信号的离散形式，K为波形采样数；和分别表示目标以及位于θi的杂波的接收导向矢量；ρt和ρi(θ)分别为所考虑的距离环内目标的复幅度以及位于θi的杂波反射系数；表示第n个接收阵元在第l个PRI内接收的干扰以及噪声，可假设Zl的每一列独立同分布，且服从于均值为0，方差为Q的循环对称复高斯分布；1b)感兴趣距离环内空时快拍表述：利用SH(SSH)‑1/2作为匹配滤波器，且则相应的矢量化匹配滤波输出可表示为：x~l=ρtej2πfDl(Φ⊗IN)(b⊗a)+Σi=0NC-1ρiej2πβfs,il(Φ⊗IN)(bi⊗ai)+vec(Z~l)]]>其中，IN是N×N的单位矩阵，Φ＝SSH(SSH)‑1/2＝diag{|a1| |a2| … |aM|}，diag{·}表示对角矩阵，由上式可得所感兴趣距离环内总的空时快拍为：XC=ρtUD⊗((Φ⊗IN)(b⊗a))+Σi=0NC-1ρiUD,i⊗((Φ⊗IN)(bi⊗ai))+IL⊗vec(Z~l)=ρt(IL⊗Φ⊗IN)(UD⊗b⊗a)+(IL⊗Φ⊗IN)Σi=0NC-1ρi(UD,i⊗bi⊗ai)+IL⊗vec(Z~l)]]>其中，和分别表示目标及位于θi杂波的多普勒导向矢量；(2)目标函数推导2a)最优MIMO‑OFDM‑STAP处理器条件下输出SINR表述：基于最小方差无畸变准则，即MVDR，可得最优输出SINR可表示为：SINR=ρt2[(IL⊗Φ⊗IN)(UD⊗b⊗a)]HRi+n-1[(IL⊗αT⊗IN)(UD⊗b⊗a)]]]>式中，Ri+n=E[((IL⊗Φ⊗IN)Σi=0NC-1ρi(UD,i⊗bi⊗ai)+IL⊗vec(Z~l))((IL⊗Φ⊗IN)Σi=0NC-1ρi(UD,i⊗bi⊗ai)+IL⊗vec(Z~l))H]]]>2b)杂波高斯分布，且与干扰不相关条件下输出SINR表述简化：假设杂波独立同分布，且服从均值为0，方差为的高斯分布，则在杂波与干扰加噪声项不相关的假设下，输出SINR可简化为如下表达式：SINR=|ρt|2vtH(I+A~RC)-1A~vt]]>其中，V=[v1,v2,...,vNC]H,vi=UD,i&Circl...

【技术特征摘要】
1.基于部分杂波先验知识的MIMO-OFDM-STAP稳健波形设计，其特征在于，包括如下步
骤：
(1)建立MIMO-OFDM-STAP系统模型
1a)MIMO-OFDM-STAP接收信号描述：
MIMO雷达的发射阵列和接收阵列均为均匀线阵，且平行放置，阵元数分别为M和N，
阵元间距分别为dT和dR，雷达平台沿平行于发射、接收阵列的方向匀速直线飞行，飞行高度
和速度分别为h和v，目标沿与发射、接收阵列法线夹角为θt的直线匀速运动，速度为vt，且
与雷达平台处于同一平面，在一个相干处理间隔(CPI)内，各发射阵元同时辐射由L个脉冲
组成的脉冲串波形，且脉冲重复间隔(PRI)为T，将距离环离散化为NC(NC＞＞NML)个小单
元，则第l个脉冲重复间隔PRI内的接收数据可表示为：
X l = ρ t e j 2 πf D l ab T S + Σ i = 0 N C - 1 ρ i e j 2 πβf s , i l a i b i T S + Z l ]]>式中，以及和分别表示目标以及位于θi的杂波
发射导向矢量；表示每个PRI内发射波形矩阵，为第m个发
射阵元在每个PRI内发射的复基带信号的离散形式，K为波形采样数；
和分别表示目标以及位于θi的杂波的
接收导向矢量；ρt和ρi(θ)分别为所考虑的距离环内目标的复幅度以及位于θi的杂波...

【专利技术属性】
技术研发人员：王洪雁，裴炳南，王雪，郑佳，房云飞，季科，乔惠娇，
申请(专利权)人：大连大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21