一种基于MIMO雷达低旁瓣发射方向图设计方法技术

一种基于MIMO雷达低旁瓣发射方向图方法，属于阵列信号处理技术领域。传统最小化旁瓣算法是通过添加主瓣和旁瓣功率约束来实现减低旁瓣和提高主瓣信号功率，进而提高目标检测能力，但是可能造成主瓣分裂，不能对主瓣约束和赋形。针对这一问题，本文提出了基于MIMO雷达改进的最小化旁瓣方法，该方法保留了最小化旁瓣算法的优点，利用主瓣上界和下界对主瓣进行约束，利用半功率点将空间分为主瓣区和旁瓣区，分别以主瓣和峰值旁瓣之差最大值为目标函数，以各阵元发射信号恒定为约束条件，通过改变主瓣上界对主瓣波动的限制，建立半正定规划问题，利用凸优化求得最优解，该方法只利用一次凸优化求解，即可实现低旁瓣可控波形。

A design method of low sidelobe transmitting pattern based on MIMO Radar

The invention relates to a low sidelobe transmitting pattern method based on MIMO radar, which belongs to the technical field of array signal processing. The traditional minimum sidelobe algorithm is to reduce the sidelobe and improve the signal power of the main lobe by adding the main lobe and the side lobe power constraints, so as to improve the target detection ability. However, it may cause the main lobe splitting and cannot constrain and shape the main lobe. To solve this problem, an improved method of minimizing sidelobe based on MIMO radar is proposed in this paper. This method retains the advantages of the algorithm of minimizing sidelobe. The upper and lower bounds of the main lobe are used to constrain the main lobe. The space is divided into the main lobe area and the side lobe area by using half power points. The maximum difference between the main lobe and the peak sidelobe is taken as the objective function, and the constant transmitted signal of each array element is taken as the constraint strip By changing the upper bound of the main lobe to limit the fluctuation of the main lobe, a semi positive definite programming problem is established, and the optimal solution is obtained by convex optimization. This method only uses one convex optimization solution to realize the controllable waveform of the low side lobe.

【技术实现步骤摘要】
一种基于MIMO雷达低旁瓣发射方向图设计方法
本专利技术属于阵列信号处理
，主要是一种利用主瓣上界和主瓣下界对主瓣进行约束，通过增加主瓣上界值实现增大主瓣中心功率与峰值旁瓣功率之差，由此建立半正定规划问题求解实现低旁瓣特性的方法。
技术介绍
多输入多输出(MIMO)雷达是学者在相控雷达的基础上提出的新雷达模式，从提出时相比于相控雷达有明显优势而成为热门，根据阵元结构不同可以分为集中式模式和分布式模式。本文主要研究内容为集中式MIMO雷达，集中式MIMO雷达利用小的阵元间距，提高发射信号设计的灵活性，最大程度的发挥MIMO雷达波形分集的性能优势。相比较而言，集中式MIMO雷达在进行DOA估计时有更高的估计精度，所以对于集中式MIMO雷达波形设计一直是研究中的热点。在集中式MIMO雷达的波形设计中有正交波形设计和相关波形设计两种模式：利用正交波形进行全空域的照射，寻找空域中存在的目标，此模式主要应用于目标搜索阶段；而目标出现后，利用相干波形进行追踪，提高检测性能，此模式主要应用于目标追踪阶段；对于旁瓣产生的旁瓣干扰和旁瓣杂波影响MIMO雷达追踪性能的问题，利用在发射方向图设计中降低旁瓣能量，提高主瓣能量，改善旁瓣对MIMO雷达波达方向估计的影响。最早提出加权的方法，通过引入加权矩阵对方向图进行加权，但加权会造成MIMO雷达功率分配不均，影响雷达探测距离；随后提出基于半正定规划的部分相关波形设计方法，但只考虑低旁瓣特性，忽略对主瓣调控，会产生主瓣失真等问题。因此，本文提出一种基于MIMO雷达低旁瓣发射方向图方法，该方法利用主瓣中心功率和旁瓣峰值功率之差的最大值为目标函数，通过主瓣上界和主瓣下界对主瓣添加约束，在增大主瓣上界值及降低旁瓣的同时，使主瓣功率尽可能接近主瓣上界，增大主瓣中心功率与峰值旁瓣功率之差，由此实现低旁瓣的特性。考虑实际中在某一方向可能存在强杂波的影响，可以在特定方向形成零陷进行抑制。本文方法旨在通过降低发射方向图旁瓣，减轻旁瓣杂波和旁瓣干扰对MIMO雷达产生的影响，提高DOA估计精度，系统框图如图1所示。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，采用半正定规划类算法在设计低旁瓣方向图的同时，通过对主瓣添加约束，实现在提高主瓣中心功率的同时能够降低旁瓣，并对空间中强杂波的影响形成零陷进行抑制，由此提高MIMO雷达进行DOA估计时的准确度和稳定度。为解决上述问题，本专利技术采用如下的技术方案：一种基于MIMO雷达发射方向图最小化旁瓣设计方法，该方法的具体内容如下：第一步，通过MIMO雷达发射信号进行仿真，获得目标接收信号，获得信号功率与发射信号协方差矩阵直接的关系。第二步，根据发射信号协方差矩阵与信号功率的关系，建立半正定规划问题，首先利用发射信号主瓣功率与峰值旁瓣的最大功率之差作为目标函数，通过求其差值的最大化保证低旁瓣，然后利用主瓣上界和主瓣下界对主瓣进行约束，增大主瓣上界的值，在保证低旁瓣的同时，使主瓣功率尽可能的接近主瓣上界，增大主瓣中心功率与峰值旁瓣功率之差，以此来实现低旁瓣特性。然后分别利用左右半功率波束点作为主瓣和旁瓣分界区，为保证雷达探测距离对协方差矩阵对角线元素施加相等约束，最后对特定方向存在强杂波的影响产生零陷进行抑制。第三步，利用以上目标函数和约束条件建立半正定规划问题，利用Matlab中的凸优化工具箱进行求解，获得发射信号协方差矩阵，由此求得发射信号功率方向图。第四步，评价所提低旁瓣方法的有效性，通过发射方向图的峰值旁瓣对比来验证低旁瓣特性，通过对比谱峰图验证DOA估计性能，通过均方误差和算法运行时间验证算法性能优劣。均方误差公式：式中，i表示第i次实验仿真结果，α和表示对应俯仰角和方位角输入值，αi和分别表示第i次仿真结果输出的俯仰角和方位角估计值。本专利技术的特征如下：(1)利用主瓣中心功率和峰值旁瓣功率之差的最大值为目标函数，获取较好的低旁瓣特性。(2)利用主瓣上界和主瓣下界对主瓣施加约束，在增大主瓣上界的同时，使得主瓣中心功率尽可能的接近主瓣上界，增大主瓣中心功率与峰值旁瓣功率的差值，以此来实现低旁瓣特性。(3)针对空间中可能在某处存在强杂波的干扰，可以形成零陷进行抑制，提高抗干扰性能。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术提出了一种基于MIMO雷达低旁瓣发射方向图方法，并用实验仿真对算法的旁瓣特性和进行DOA估计时的性能进行验证，该方法与现行低旁瓣算法相比，其具有更优峰值旁瓣，且运算复杂度和均方根误差也更小，均方根误差对一组测量中的特大或特小误差反映非常敏感，所以，均方根误差能够很好地反映出测量的精密度，即表示DOA估计效果更佳。从而提高MIMO雷达低旁瓣特性和DOA估计效果。附图说明图1MIMO雷达低旁瓣发射方向图方法系统框图图2发射阵列模型图3方法思想示意图图4四种算法发射方向图比较，a)代表的是四种算法方向图仿真结果，b)代表其在a)图中左边第一峰值旁瓣处的放大图图5四种算法信噪比为10dB时，进行DOA估计仿真结果谱峰对比。其中图a中左边表示切比雪夫加权算法谱峰搜索结果，右边为其对应等高线图；图b中左边表示协-积分旁瓣算法谱峰搜索结果，右边为其对应等高线图；图c中左边表示协-峰值旁瓣算法谱峰搜索结果，右边为其对应等高线图；图d中左边表示本文所提方法谱峰搜索结果，右边为其对应等高线图图6四种算法进行DOA估计时均方误差根对比具体实施方式以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。步骤1、对MIMO雷达发射信号进行仿真，将雷达模型设为发射端由M个阵元组成的均匀线阵。其中第m(1≤m≤M)个天线单元发射信号可表示为sm，则可将发射信号矩阵表示为：S＝[s1,s2,…,sM]T假设远场目标位于θ处目标接收到的信号X为X＝aH(θ)S其中a(θ)表示MIMO雷达发射信号导向矢量，aH(θ)为导向矢量a(θ)的转置，载频为fc，c代表光速，阵元间距为d。由此可得方向图表达式P(θ)为：其中，L表示码元长度，协方差矩阵R为P(θ)，由上式可以看出协方差矩阵R将会直接影响发射方向图空间分布特性，P(θ)直接表示功率在对应角度θ处的分布，获得发射信号模型。步骤2、利用ΩS表示旁瓣区域，Ωm表示主瓣区域，以θ1，θ2分别表示主瓣左半功率波束点和右半功率波束点，中间所夹区域为主瓣Ωm，左右半功率波束点以外的区域为ΩS。可得发射方向图θs(θs∈Ωs)方向的旁瓣功率表达式为：aH(θs)Ra(θs),θs∈Ωs发射方向图θm(θm∈Ωm)方向的主瓣功率表达式：aH(θm)Ra(θm),θm∈Ωm步骤3、由于最小化旁瓣算法和积分旁瓣算法缺少对主瓣约束，容易产生主瓣失真等问题，利用主瓣上界和主瓣下界对主瓣进行约束，增大主瓣上界的值，在保证低旁瓣的同时，使主瓣功率尽可能的接近主瓣上界，增大主瓣中心本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于MIMO雷达低旁瓣发射方向图设计方法，其特征在于，具体如下：/n第一步：对MIMO雷达发射信号进行仿真，将雷达模型设为发射端由M个阵元组成的均匀线阵；其中第m个天线单元发射信号表示为s

【技术特征摘要】
1.一种基于MIMO雷达低旁瓣发射方向图设计方法，其特征在于，具体如下：
第一步：对MIMO雷达发射信号进行仿真，将雷达模型设为发射端由M个阵元组成的均匀线阵；其中第m个天线单元发射信号表示为sm，则可将发射信号矩阵表示为：1≤m≤M；
S＝[s1,s2,…,sM]T
假设远场目标位于θ处目标接收到的信号X为
X＝aH(θ)S
其中a(θ)表示MIMO雷达发射信号导向矢量，aH(θ)为导向矢量a(θ)的转置，载频为fc，c代表光速，阵元间距为d；由此可得方向图表达式P(θ)为：



其中，L表示码元长度，协方差矩阵R为P(θ)，由上式可以看出协方差矩阵R将会直接影响发射方向图空间分布特性，P(θ)直接表示功率在对应角度θ处的分布，获得发射信号模型；
第二步：利用ΩS表示旁瓣区域，Ωm表示主瓣区域，以θ1，θ2分别表示主瓣左半功率波束点和右半功率波束点，中间所夹区域为主瓣Ωm，左右半功率波束点以外的区域为ΩS；可得发射方向图θs方向的旁瓣功率表达式为：
aH(θs)Ra(θs),θs∈Ωs
发射方向图θm(θm∈Ωm)方向的主瓣功率表达式：
aH(θm)Ra(θm),θm∈Ωm
第三步：设定主瓣上界为β和主瓣下界为η，η设为1，β表示主瓣约束是可变的，约束如下：
η表示主瓣下界，则：
aH(θm)Ra(θm)...

【专利技术属性】
技术研发人员：窦慧晶，肖子恒，杨帆，谢金鑫，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11