基于模拟退火算法的FDA雷达方向图去耦合方法技术

本发明专利技术公开了一种基于模拟退火算法的FDA雷达方向图去耦合方法，利用模拟退火算法对频率增量进行优化以聚焦波束方向图，该方法能够合成单点发射波束；通过模拟退火算法得到优化的非线性FDA‑MIMO雷达频率增量，打破了传统FDA‑MIMO雷达方向图角度和距离的耦合性，在同时存在同一角度多个距离模糊目标时，形成单一位置的高增益，抑制了其他模糊区域的目标回波。

Decoupling method of FDA radar pattern based on simulated annealing algorithm

【技术实现步骤摘要】
基于模拟退火算法的FDA雷达方向图去耦合方法
本专利技术涉及雷达信号处理
，具体涉及一种基于模拟退火算法的FDA雷达方向图去耦合方法。
技术介绍
频率分集阵(FDA)雷达的发射波束方向图中的距离-角度具有相关性，这为目标的联合距离和角度估计以及距离相关的干扰抑制提供了潜在的应用。然而，现有的标准FDA使用线性增加频率增量，即频率增量为固定值，使得生成的发射波束方向图形成距离和角度耦合的s形波束，这样在目标通过方向图主瓣进入到接收机的过程中，距离模糊位置的回波也一同进入，即造成回波数据中存在距离模糊杂波，从而影响最终的目标定位精度或增加后期处理运算量。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种基于模拟退火算法的FDA雷达方向图去耦合方法，利用模拟退火算法对频率增量进行优化以聚焦波束方向图，该方法能够合成单点发射波束；通过模拟退火算法得到优化的非线性FDA-MIMO(频率分集阵-多输入多输出)雷达频率增量，打破了传统FDA-MIMO雷达方向图角度和距离的耦合性，在同时存在同一角度多个距离模糊目标时，形成单一位置的高增益，抑制了其他模糊区域的目标回波。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现。基于模拟退火算法的FDA雷达方向图去耦合方法，包括以下步骤：步骤1，建立退火FDA-MIMO雷达模型，对应得到退火FDA-MIMO雷达的每个阵元发射窄带信号和接收回波信号；将退火FDA-MIMO雷达的每个阵元的接收回波信号在相干处理时间内进行匹配滤波和脉冲压缩，得到退火FDA-MIMO雷达脉压后的回波信号；步骤2，采用模拟退火算法对退火FDA模型中的频率增量Δfm进行优化，得到优化后的非线性频率增量Δfbest；步骤3，将优化后的非线性频率增量Δfbest带入退火FDA-MIMO雷达模型中，则在距离域与空间角频域生成去耦合的发射波束方向图，进而得到单一高增益的回波功率谱。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术通过模拟退火算法得到非线性FDA-MIMO雷达频率增量，打破了传统FDA-MIMO雷达方向图角度和距离的耦合性，在同时存在同一角度多个距离模糊目标时，成了单一位置的高增益，抑制了其他模糊区域的目标回波。附图说明下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步详细说明。图1是本专利技术的退火FDA-MIMO雷达的天线结构示意图；图2是本专利技术的接收信号处理框图；图3是本专利技术实施例的退火FDA计算评价值示意图；图4是本专利技术实施例的退火FDA雷达方向图示意图；图5是本专利技术实施例的传统FDA雷达发射波束方向图示意图；图6是本专利技术实施例的退火FDA雷达发射波束方向图仿真结果图；其中，(a)为三维立体图；(b)为(a)的侧视图；图7是本专利技术实施例的当频率增量为1500Hz时，传统FDA雷达发射波束方向图仿真结果图；其中，(a)为三维立体图；(b)为(a)的侧视图；图8是本专利技术实施例的当频率增量为3000Hz时，传统FDA雷达发射波束方向图仿真结果图；其中，(a)为三维立体图；(b)为(a)的侧视图；图9是本专利技术实施例的点目标回波CAPON功率谱图；其中，(a)本专利技术的退火FDA雷达；(b)传统线性FDA雷达。具体实施方式下面将结合实施例对本专利技术的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本专利技术，而不应视为限制本专利技术的范围。本专利技术提供的一种基于模拟退火算法的FDA雷达方向图去耦合方法，包括以下步骤：步骤1，建立退火FDA-MIMO雷达模型，对应得到退火FDA-MIMO雷达的每个阵元发射窄带信号和接收回波信号；将退火FDA-MIMO雷达的每个阵元的接收回波信号在相干处理时间内进行匹配滤波和脉冲压缩，得到退火FDA-MIMO雷达脉压后的回波信号；具体包含以下子步骤；子步骤1.1，设退火FDA-MIMO雷达模型为阵元数为M的线性阵列，阵元间距均为d，其几何示意图如图1所示，发射MIMO波形的脉冲信号，脉冲长度为Tp，每个阵元发射频率相差一定的频率偏置分量；设雷达的基本载频为f0，则第m个阵元的发射频率表示为：fm＝f0+Δfmm＝1,2,…，M其中，Δfm表示相对于f0第m个阵元的频率差量，且Δfm＜＜f0。与传统相控阵雷达类似，FDA-MIMO雷达的第m个通道发射的窄带信号表示为：其中，rect()为矩形窗函数，其表示脉冲信号；t为时间；am表示第m个阵元的权值，sm(t)为第m个通道对应的正交波形，在满足理想正交条件时，有：其中，上标*表示共轭操作；则远场目标点P接收的第m个阵元发射的窄带信号表示为：其中，m＝1，2，…，M，R表示参考阵元到远场目标点P之间的距离，c表示光速，ψ表示远场目标点P和参考阵元之间连线与阵元平面之间的夹角，表示高斯白噪声；设第一个阵元为参考阵元。子步骤1.2，FDA-MIMO雷达发射的窄带信号经过远场目标反射的回波信号，通过MIMO正交波形滤波处理，如图2所示。图中xn表示第n个接收通道接收的回波信号，s*m表示第m个发射通道所对应的正交波形的共轭转置，那么FDA-MIMO雷达第m个发射通道发射第n个接收通道接收的在相干处理时间内接收的回波信号经过匹配滤波和脉冲压缩后写为：其中，ρmn为照射目标对应的散射系数；上式中对于距离耦合的相位项有共有项所以上式可表示为：由于Δfm<<f0，将上式进行化简得到：由于MIMO雷达阵元信号相互正交特性，在实际空间中不能形成相位叠加，合成高增益的窄波束而是形成低增益的宽波束，但FDA-MIMO雷达可以将接收的信号通过数字波束形成，在目标P点形成高增益的数字波束。步骤2，采用模拟退火算法对退火FDA-MIMO雷达模型中的频率增量Δfm进行优化，得到优化后的非线性频率增量Δfbest；2.1，给定频率增量的最大值Δfmax和最小值Δfmin，初始退火温度T0，退火系数α，终止温度Tf；2.2，随机生成初始非线性频率增量向量Δfinit＝[Δfinit1，…，Δfinitm，…，ΔfinitM]；每个初始非线性频率增量Δfinitm使用22位二进制代码表示，且其取值范围在[Δfmin，Δfmax]之间，则得到的初始非线性频率增量向量Δfinit为1×(22*M)维数组；2.3，计算初始非线性频率增量向量Δfinit对应的评价值Vinit，并设置Vbest＝Vinit；其中，gain(ψ,R)表示期望位置外区域的方向图增益的平方与期望位置内区域的方向图增益的平方之差；R表示参考阵元到远场目标点P之间的距离，ψ表示远场目标点P和参考阵元之间连线与阵元平面之间的夹角。具体地，评价值V的计算，如图3所示，在给定频率增量向量Δf的情况下，gain(ψ，R)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于模拟退火算法的FDA雷达方向图去耦合方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，建立退火FDA-MIMO雷达模型，对应得到退火FDA-MIMO雷达的每个阵元发射窄带信号和接收回波信号；将退火FDA-MIMO雷达的每个阵元的接收回波信号在相干处理时间内进行匹配滤波和脉冲压缩，得到退火FDA-MIMO雷达脉压后的回波信号；/n步骤2，采用模拟退火算法对退火FDA模型中的频率增量Δf

【技术特征摘要】
1.基于模拟退火算法的FDA雷达方向图去耦合方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，建立退火FDA-MIMO雷达模型，对应得到退火FDA-MIMO雷达的每个阵元发射窄带信号和接收回波信号；将退火FDA-MIMO雷达的每个阵元的接收回波信号在相干处理时间内进行匹配滤波和脉冲压缩，得到退火FDA-MIMO雷达脉压后的回波信号；
步骤2，采用模拟退火算法对退火FDA模型中的频率增量Δfm进行优化，得到优化后的非线性频率增量Δfbest；
步骤3，将优化后的非线性频率增量Δfbest带入退火FDA-MIMO雷达模型中，则在距离域与空间角频域生成去耦合的发射波束方向图，进而得到单一高增益的回波功率谱。


2.根据权利要求1所述的基于模拟退火算法的FDA雷达方向图去耦合方法，其特征在于，所述退火FDA-MIMO雷达模型为：设退火FDA-MIMO雷达模型为阵元数为M的线性阵列，阵元间距为d，发射MIMO波形的脉冲信号，脉冲长度为Tp，每个阵元发射频率相差一定的频率偏置分量；雷达的基本载频为f0，则第m个阵元的发射频率表示为：
fm＝f0+Δfmm＝1，2，...，M
其中，Δfm表示相对于f0第m个阵元的频率差量，且Δfm＜＜f0。


3.根据权利要求2所述的基于模拟退火算法的FDA雷达方向图去耦合方法，其特征在于，步骤1包含以下子步骤：
步骤1.1，将退火FDA-MIMO雷达的每个阵元发射窄带信号表示为：



其中，rect为矩形窗函数；t为时间；am表示第m个阵元的权值，sm(t)为第m个通道对应的正交波形，在满足理想正交条件时，有：



其中，上标*表示共轭操作；
则远场目标点P接收的第m个阵元发射的窄带信号表示为：



其中，m＝1，2，...，M，R表示参考阵元到远场目标点P之间的距离，c表示光速，ψ表示远场目标点P和参考阵元之间连线与阵元平面之间的夹角，表示高斯白噪声；设第一个阵元为参考阵元；
子步骤1.2，FDA-MIMO雷达发射的窄带信号经过远场目标反射的回波信号，通过MIMO正交波形滤波处理，则第m个发射通道发射第n个接收通道接收的在相干处理时间内接收的回波信号经过匹配滤波和脉冲压缩后表示为：



其中，ρmn为照射目标对应的散射系数；
上式中对于距离耦合的相位项有共有项所以上式表示为：



由于Δfm＜＜0，将上式进行化简得到：

<...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱圣棋，吕微慧，王宇卓，许京伟，刘永军，刘婧，
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