一种基于频控阵MIMO雷达的低截获系统的设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于频控阵MIMO雷达的低截获系统的设计方法，采用如下方法设计波形：S0：初始化迭代次数，随机初始化发射波束矩阵；S1：固定当前的发射波束矩阵，计算第k次迭代下的接收滤波器；S2：固定本次迭代下的接收滤波器，利用类功率迭代法更新发射波束向量；S3：重复步骤S1～S2，至迭代结束；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。本发明专利技术以最小化频控阵MIMO雷达的发射能量辐射和最大化输出信干噪比为目标，在考虑干扰和噪声环境以及天线上发射能量约束下，将优化准则构造成单个分式规划的最小化问题，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，同时实现了最大化输出SINR。

【技术实现步骤摘要】
一种基于频控阵MIMO雷达的低截获系统的设计方法
本专利技术属于阵列信号处理
，具体涉及一种基于频控阵MIMO雷达的低截获系统的设计方法，用于抑制干扰和噪声信号，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的能量控制。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。注意到已有的一些SINR联合设计，采用迭代优化和半正定松弛(semidefiniterelaxation,SDR)技术，但每次迭代中，求解秩1的SDR问题需要很高地计算复杂度，收敛性也无法保证。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
本专利技术的目的在于针对现有低截获雷达的缺点，提供一种基于频控阵MIMO雷达的低截获系统的设计方法，该方法和系统在降低频控阵MIMO雷达截获概率的同时，可最大化输出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为目标，在考虑干扰和噪声环境下，构造单分式规划的优化问题；接着利用循环迭代法，将优化问题转化成两个子优化问题：在发射加权矩阵W固定时，利用MVDR法(自适应波束形成法)求解接收滤波器x；在接收滤波器x固定时，利用类功率迭代法求解发射加权矩阵W。本专利技术技术方案如下：一种基于频控阵MIMO雷达的低截获系统的设计方法，包括：S0：初始化迭代次数k＝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；S1：固定当前的发射波束矩阵W，利用函数计算第k次迭代下的接收滤波器x，记为接收滤波器x(k)；其中：W1和W2的定义为：表示Mt×1的全1向量；a(r,θ)表示发射天线阵列的导向向量；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；Rje＝Rj+Re，Rj和Re分别为干扰和噪声的协方差矩阵；||·||2表示矩阵2范数；S2：固定本次迭代下的接收滤波器x(k)，以dHd＝MtEt为约束条件，以为目标函数，利用类功率迭代法更新发射波束向量d，记为第k次迭代下的发射波束向量d(k)，d(k-1)表示上一次迭代下的发射波束向量；其中：d＝vec(W)，I表示KMt×KMt阶的单位矩阵，K为发射信号矢量集中正交波形信号数量，K≤Mt，λ是实数，其取值为大于T最大特征值的数，其实质为经验值，实际应用中可预先通过仿真实验进行调整，以获得最优值；S3：令k＝k+1，重复步骤S1～S2，至迭代次数达到预设迭代次数或|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分别表示第m个发射天线相对第1个发射天线的距离和角度，Δf是频率增量，dt表示发射阵列的阵元间隔。进一步的，干扰协方差矩阵噪声的协方差矩阵其中：L表示来自不同方向的干扰信号数量，l表示第l个干扰信号；表示第l个干扰信号的协方差；IK表示K×K的单位矩阵；b(θj,l)表示第l个干扰信号在接收天线阵列的导向向量；表示噪声的协方差；IMrK表示Mr×K阶的单位矩阵。进一步的，信干噪比的计算公式为：进一步的，频控阵MIMO雷达系统的发射信号在目标(r,θ)处的空间发射功率P(W)定义为：进一步的，考虑在每个天线上的发射能量约束条件下，通过W和x联合设计，使得输出SCNR最大化，同时目标处的辐射功率最小，该优化目标问题可表示如下：其中：1K表示K×1的全1向量。进一步的，考虑频控阵MIMO雷达的接收信号中除了目标信号外，在包含干扰和噪声信号情况下，将优化目标问题构造成如下的单分式规划优化问题：与现有技术比较，本专利技术具有如下优点和有益效果：本专利技术以最小化频控阵MIMO雷达的发射能量辐射和最大化输出SINR为目标，在考虑干扰和噪声环境以及天线上发射能量约束下，将优化准则构造成单个分式规划的最小化问题，本专利技术在目标区域上形成零陷，降低了雷达被截获概率，同时实现了最大化输出SINR。附图说明图1为仿真实验中本专利技术方法在不同迭代次数情况下的SINR性能比较；图2为仿真实验中本专利技术方法在不同INR(干噪比)时的SINR性能比较；图3为仿真实验中本专利技术方法在不同SNR(信噪比)时的SINR性能比较；图4为仿真试验获得的发射方向图，其中图(a)和(b)分别为距离维和角度维的发射方向图；图5为仿真试验获得的接收方向图，其中图(a)和(b)分别为距离维和角度维的接收方向图。具体实施方式下面将对本专利技术实施所基于的相关理论及具体的实施过程进行详细说明，以使本专利技术的优点和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于频控阵MIMO雷达的低截获系统的设计方法，其特征是，包括：/nS0：初始化迭代次数k＝0，随机初始化发射波束矩阵W，记为

【技术特征摘要】
20191220 CN 20191132864761.一种基于频控阵MIMO雷达的低截获系统的设计方法，其特征是，包括：
S0：初始化迭代次数k＝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；
S1：固定当前的发射波束矩阵W，利用函数计算第k次迭代下的接收滤波器x，记为接收滤波器x(k)；
其中：W1和W2的定义为：表示Mt×1的全1向量；a(r,θ)表示发射天线阵列的导向向量；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；Rje＝Rj+Re，Rj和Re分别为干扰和噪声的协方差矩阵；||·||2表示矩阵2范数；
S2：固定本次迭代下的接收滤波器x(k)，以dHd＝MtEt为约束条件，以为目标函数，利用类功率迭代法更新发射波束向量d，记为第k次迭代下的发射波束向量d(k)，d(k-1)表示上一次迭代下的发射波束向量；其中：d＝vec(W)，I表示KMt×KMt阶的单位矩阵，K为发射信号矢量集中正交波形信号数量，K≤Mt；T定义为：T＝RA-f(d)Rvx，λ是实数，其取值为大于T最大特征值的数；
S3：令k＝k+1，重复步骤S1～S2，至迭代次数达到预设迭代次数或|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。


2.如权利要求1所述的基于频控阵MIMO雷达的低截获系统的设计方法，其特征是：
所述发射天线阵列...

【专利技术属性】
技术研发人员：巩朋成，朱鑫潮，王兆彬，周顺，邓薇，谭海明，李婕，张正文，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