杂波下基于ADMM的低截获频控阵MIMO雷达系统的设计方法技术方案

本发明专利技术公开了杂波下基于ADMM的低截获频控阵MIMO雷达收发系统的设计方法，包括：S0：构建多比例优化问题，初始化外循环迭代次数、内循环迭代次数、发射波束矩阵；S1：固定当前的发射波束矩阵，基于多比例优化问题，利用自适应波束法计算接收滤波器；S2：固定本次迭代下的接收滤波器，利用交替方向乘子法更新发射波束向量；S3：重复步骤S1～S2进行循环迭代；S4：基于最终的发射波束矩阵和接收滤波器设计低截获的频控阵MIMO雷达系统。本发明专利技术在考虑杂波、干扰和噪声环境以及天线上发射能量受限下，将优化问题构造成多比例分式规划问题，利用循环迭代法优化发射信号。本发明专利技术在目标区域上形成零陷，降低了雷达被截获概率的同时实现了最大化输出SINR。

【技术实现步骤摘要】
杂波下基于ADMM的低截获频控阵MIMO雷达系统的设计方法
本专利技术属于阵列信号处理
，具体涉及杂波下基于ADMM的低截获频控阵MIMO雷达收发系统的设计方法，用于抑制与信号相干的杂波、干扰和噪声信号，在探测目标的同时降低雷达被截获的概率。
技术介绍
在现代电子对抗中，日趋多变复杂的雷达电磁环境对低截获技术提出了新的要求，希望雷达系统能够根据目标和环境的变化，而实时地调整发射端的各项参数指标，以达到更好的低截获效果。低截获概率(Lowprobabilityofintercept,LPI)雷达能够探测目标的同时降低被敌方发现的概率，为雷达及其载体的安全性提供保障，研究LPI雷达及其实现技术显得日益迫切，而通过有效的技术使得敌方无法获得雷达发射的辐射能量更是关键所在。低截获技术在雷达发射端的研究主要包括三个方面：1)将能量分散在频率域中，设计超宽带波形；2)将能量分散在时间域中，设计出高占空比的波形；3)将能量分散在空间域中，设计出较宽的天线辐射方向图主瓣。已有考虑LPI的文献以相控阵为研究对象，利用相控阵实现波束的空间扫描，但相控阵的缺点是其阵列方向图与距离无关，只能实现阵列信号的定向而不能实现特定区域能量控制。MIMO(Multiple-InputMultiple-Output，多入多出)雷达的概念自2003年一经提出，涌现出了大批学者就其关键技术和相关的方面进行了深入研究。相比相控阵，MIMO雷达具有诸如更好的分辨率、目标检测性能和目标参数估计性能等多方面的明显优势。此外，MIMO雷达通过波形分集技术，在空间形成低增益的宽波束，从而能降低雷达被截获的概率。由于目标检测和参数估计依赖于输出信干噪比(SignaltoInterferenceplusNoiseRatio,SINR)，近年来关于最大化输出SINR的MIMO雷达设计得到关注。频控阵(Frenquencydiversearray,FDA)技术作为一种最新雷达技术，其阵列因子是角度、时间和距离的函数；与相控阵波束不依赖距离参数特性不同，频控阵最主要的特点是阵列方向图具有距离依赖性，而且能够有效地控制其发射波束的距离指向。于是，将频控阵和MIMO技术应用到LPI雷达中，能够实现发射波束的信号能量在感兴趣的区域形成较小的能量辐射，同时通过展宽发射波束宽度降低其发射信号的峰值功率，从而为降低雷达被截获提供一种新的思路。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供杂波下基于ADMM的低截获频控阵MIMO雷达收发系统的设计方法，该方法在杂波环境下实现目标检测的同时，可降低雷达被截获概率。本专利技术针对信号依赖性干扰存在下，通过设计发射和接收机使频控阵MIMO雷达在目标区域上辐射的能量尽量小，形成零陷，尽可能地降低雷达的被截获概率，同时考虑最大化输出SINR。本专利技术思路为：以最小化频控阵MIMO雷达的发射能量辐射和最大化输出SINR为优化目标，但如果将优化准则构造成单个分式规划最小化问题是很难求解。针对该问题，本专利技术将目标转化为多分式规划和的优化问题；接着，利用循环迭代法，将优化问题转化成两个子优化问题，即：在发射加权矩阵W固定时，利用MVDR法(自适应波束形成法)求解接受滤波器x；在接收滤波器x固定时，利用一种无需近似的ADMM法(交替方向乘子法)求解W，可获得更好的性能。本专利技术技术方案如下：杂波下基于ADMM的低截获频控阵MIMO雷达收发系统的设计方法，包括：S0：构建多比例优化问题初始化外循环迭代次数k＝0，初始化内循环迭代次数n＝0，随机初始化发射波束矩阵W，记为wm0表示第m个发射天线对应的发射波束向量初始值，m＝1，2，…Mt；其中：ωp是第p个目标函数的加权，ωp∈[0,1]，且满足P(W)为空间发射功率，SINR(x,W)为接收端信号经接收滤波器后的输出信干噪比；1K表示K×1的全1向量，表示Mt×1的全1向量，Et表示每个天线上的发射能量；S1：固定当前的发射波束矩阵W，基于多比例优化问题，利用自适应波束法计算接收滤波器当前所计算的接收滤波器即第k次迭代下的接收滤波器，记为xk；其中：W1的定义为：IMr表示Mt×Mt的单位矩阵；v(r,θ)表示虚拟阵列的导向向量，b(θ)表示接收天线阵列的导向向量，a(r,θ)表示发射天线阵列的导向向量；Rcje的定义为：Rcje＝Rc+Rj+Re，其中，Rc，Rj和Re分别为杂波协方差矩阵、干扰协方差矩阵和噪声协方差矩阵；在第k次外循环迭代下，执行步骤S2：S2：固定本次迭代下的接收滤波器xk，利用交替方向乘子法更新发射波束向量d，d＝vec(W)；本步骤进一步包括：S201：更新辅助变量h，本子步骤进一步包括：S201a：构建分式规划问题其中，t1、t2定义为：RA定义为：Rvx定义为：Rcvx定义为：P表示交换矩阵，X是由接收滤波器构成的矩阵，即x＝vec(X)，A(r,θ)＝a(r,θ)aH(r,θ)，IK表示K×K的单位矩阵，K为发射信号矢量集中正交波形信号数量，K≤Mt；h为辅助变量；S201b：在ADMM框架下，通过引入变量z1、z2、u、v，将上述分式规划问题转化到增广拉格朗日函数ft(d,h,t1,t2,z1,z2,u,v)，从而获得目标函数：其中，ρ1,ρ2,ρ3,ρ4均为惩罚参数，且均大于0；RAt定义为：RAt＝RA-t1MtEt；Rxt定义为：Rxt＝Rcvx-t2Rvx；S201c：对上述目标函数求关于h的导数，并令导数得h＝Ω-1γ，利用h＝Ω-1γ更新当前的h，更新后的h记为hn+1；Ω定义为：γ定义为：其中：带上标n的参数均在第n次内循环迭代时的参数值；S202：已知迭代值更新发射波束向量d，本子步骤进一步包括：S202a：构建目标函数：S202b：对上述目标函数求关于d的导数，并令导数得d＝Γ-1η，利用d＝Γ-1η更新当前的d，更新后的d记为dn+1；Γ定义为：η定义为：S203：已知迭代值利用更新{t1,t2}；S204：已知迭代值利用更新{z1,z2,u,v}；S204：令n＝n+1，重复迭代S201～S203，直至迭代次数达到预设的最大内循环迭代次数，输出当前的d；S3：令k＝k+1，重复步骤S1～S2，至迭代次数达到预设的最大外循环迭代次数或|SINR(k+1)-SINR(k)|/SINR(k)小于预设误差，SINR(k)、SINR(k+1)分别表示本次和下次迭代下所计算的信干噪比；S4：基于最终的发射波束矩阵和接收滤波器设计低截获的频控阵MIMO雷达系统。进一步的，发射信号在目标(r,θ)处的空间发射功率P(W)定义为：进一步的，发射天线阵列的导向向量其中：表示第m个发射天线相对第1个发射天线的相位；c表示光速，f0是第1个发射天线的载频频率，r、θ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.杂波下基于ADMM的低截获频控阵MIMO雷达收发系统的设计方法，其特征是，包括：/nS0：构建多比例优化问题

【技术特征摘要】
20191220 CN 20191132871591.杂波下基于ADMM的低截获频控阵MIMO雷达收发系统的设计方法，其特征是，包括：
S0：构建多比例优化问题初始化外循环迭代次数k＝0，初始化内循环迭代次数n＝0，随机初始化发射波束矩阵W，记为wm0表示第m个发射天线对应的发射波束向量初始值，m＝1，2，…Mt；
其中：ωp是第p个目标函数的加权，ωp∈[0,1]，且满足
P(W)为空间发射功率，SINR(x,W)为接收端信号经接收滤波器后的输出信干噪比；
1K表示K×1的全1向量，1Mt表示Mt×1的全1向量，Et表示每个天线上的发射能量；
S1：固定当前的发射波束矩阵W，基于多比例优化问题，利用自适应波束法计算接收滤波器当前所计算的接收滤波器即第k次迭代下的接收滤波器，记为xk；
其中：W1的定义为：表示Mt×Mt的单位矩阵；
v(r,θ)表示虚拟阵列的导向向量，b(θ)表示接收天线阵列的导向向量，a(r,θ)表示发射天线阵列的导向向量；
Rcje的定义为：Rcje＝Rc+Rj+Re，其中，Rc，Rj和Re分别为杂波协方差矩阵、干扰协方差矩阵和噪声协方差矩阵；
在第k次外循环迭代下，执行步骤S2：
S2：固定本次迭代下的接收滤波器xk，利用交替方向乘子法更新发射波束向量d，d＝vec(W)；
本步骤进一步包括：
S201：更新辅助变量h，本子步骤进一步包括：
S201a：构建分式规划问题其中，t1、t2定义为：RA定义为：Rvx定义为：Rcvx定义为：P表示交换矩阵，X是由接收滤波器构成的矩阵，即x＝vec(X)，A(r,θ)＝a(r,θ)aH(r,θ)，IK表示K×K的单位矩阵，K为发射信号矢量集中正交波形信号数量，K≤Mt；h为辅助变量；
S201b：在ADMM框架下，通过引入变量z1、z2、u、v，将上述分式规划问题转化到增广拉格朗日函数ft(d,h,t1,t2,z1,z2,u,v)，从而获得目标函数：



其中，ρ1,ρ2,ρ3,ρ4均为惩罚参数，且均大于0；RAt定义为：RAt＝RA-t1/MtEt；Rxt定义为：Rxt＝Rcvx-t2Rvx；
S201c：对上述目标函数求关于h的导数，并令导数得h＝Ω-1γ，利用h＝Ω-1γ更新当前的h，更新后的h记为hn+1；
Ω定义为：
γ定义为：
其中：带上标n的参数均在第n次内循环迭代时的参数值；
S202：已知迭代值...

【专利技术属性】
技术研发人员：巩朋成，王兆彬，谭海明，邓薇，朱鑫潮，周顺，李婕，张正文，丰励，贺章擎，
申请(专利权)人：湖北工业大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42