MIMO发射方向图的直接波形设计方法、装置、设备及介质制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种MIMO发射方向图的直接波形设计方法、装置、设备及介质，涉及雷达技术领域，方法包括：获取发射信号的预编码矩阵和发射阵列的导向矢量，基于发射信号的预编码矩阵和发射阵列的导向矢量获取初始发射信号矩阵向量化算子、初始旁瓣区域功率数据和初始主瓣区域功率数据，基于获得的数据构建初始优化模型，初始优化模型包括原目标函数和原约束条件，原目标函数用于表征初始旁瓣区域功率数据和初始主瓣区域功率数据之间的关系，原约束条件包括用于限制旁瓣区域功率和的旁瓣约束、用于限制主瓣区域功率和的主瓣约束、用于限制发射天线的发射功率的总功率约束，通过构建辅助变量对模型进行处理，再利用ADMM求解，实现目标发射方向图的绘制。标发射方向图的绘制。标发射方向图的绘制。

【技术实现步骤摘要】
MIMO发射方向图的直接波形设计方法、装置、设备及介质


[0001]本专利技术涉及雷达
，具体涉及一种MIMO发射方向图的直接波形设计方法、装置、设备及介质。

技术介绍

[0002]近年来，多输入多输出(Multiple
‑
Input Multiple
‑
Output，简称MIMO)雷达由于其在目标探测和参数估计性能上所具有的优越性，已经受到了学术界和工业界越来越多的关注。根据阵元结构，可以将MIMO雷达分为分布式MIMO雷达和集中式MIMO雷达，MIMO雷达在波形设计上有很高的灵活性，集中体现在MIMO雷达的每个阵元可以独立的发射波形，因此，如何利用该特性，实现根据具体的目标场景来设计不同的发射波形是一个具有意义的研究课题。
[0003]波形优化和发射方向图匹配是MIMO雷达的两项关键技术，通过合理的波形设计，使得生成的发射方向图尽可能的逼近期望发射方向图，可以实现满足实际需求的目标。其中，集中式MIMO雷达的波形设计主要分为两类：一类是在干扰条件下，通过对发射波形和接收滤波器的联合优化设计来提高输出信干噪比；另一类是利用集中式MIMO雷达可以控制空间内能量分布这一特性，通过对发射波形进行优化，使发射功率在期望方向上聚焦，且降低旁瓣的功率。基于集中式MIMO雷达的发射方向图匹配主要分为两类：一类是对发射波形的协方差矩阵进行优化来得到目标发射方向图；另一类是直接建立发射波形与目标发射方向图之间的函数关系，通过优化算法迭代求解。由于协方差矩阵是一个方阵，维数等于发射阵元的个数，采用对发射波形的协方差矩阵进行优化来得到目标发射方向图，存在矩阵分解无法还原波形矩阵、信息量不足的问题；目前常采用的直接建立发射波形与目标发射方向图之间的函数关系的方法为最小化模板匹配误差法，即：将待优化的发射方向图与已知的发射方向图之间的差值作为目标函数进行求解，但这种方法在求解过程中需要求解一个四阶非凸优化问题，在求解上存在较大困难，另外，由于最小化模板匹配误差法针对的是一整个空域，缺乏对主瓣或旁瓣的单独控制，因此结果容易出现主瓣波动过大、旁瓣较高等问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是：利用最小化模板匹配误差法实现集中式MIMO雷达的发射方向图匹配时，求解困难甚至无法求解，以及求解得到的结果容易出现主瓣波动过大、旁瓣较高的问题，导致目标发射方向图与期望发射方向图差别较大。为解决该技术问题，本专利技术提供了一种MIMO发射方向图的直接波形设计方法、装置、设备及介质。
[0005]本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：
[0006]一种MIMO发射方向图的直接波形设计方法，包括：
[0007]步骤S1：获取发射信号的预编码矩阵和发射阵列的导向矢量，根据所述发射信号的预编码矩阵和所述发射阵列的导向矢量获取初始发射信号矩阵向量化算子和发射阵列
的导向矢量的协方差矩阵，根据所述初始发射信号矩阵向量化算子和所述协方差矩阵获取初始旁瓣区域功率数据和初始主瓣区域功率数据；
[0008]步骤S2：根据所述初始发射信号矩阵向量化算子、所述初始旁瓣区域功率数据和所述初始主瓣区域功率数据，构建初始优化模型，所述初始优化模型包括原目标函数和原约束条件，所述原目标函数用于表征初始旁瓣区域功率数据和初始主瓣区域功率数据之间的关系，所述原约束条件包括旁瓣约束、主瓣约束和总功率约束，所述旁瓣约束用于限制旁瓣区域的功率和，所述主瓣约束用于限制主瓣区域的功率和，所述总功率约束用于限制发射天线的发射功率；
[0009]步骤S3：构建第一辅助变量，利用所述第一辅助变量对所述原目标函数进行简化处理，得到第一中间函数A，所述第一中间函数A包括旁瓣区域最大功率数据A和主瓣区域最小功率数据A，对所述第一中间函数A包含的旁瓣区域最大功率数据A和主瓣区域最小功率数据A进行优化处理，得到第二中间函数B，所述第二中间函数B包括旁瓣区域最大功率数据B和主瓣区域最小功率数据B，根据所述第二中间函数B和所述原约束条件，构建二次优化模型；
[0010]步骤S4：引入第二辅助变量，利用所述第二辅助变量对所述二次优化模型进行变换，得到第三中间函数C和新约束条件，所述第三中间函数C中包括旁瓣区域最大功率数据C和主瓣区域最小功率数据C；对所述第三中间函数C包含的旁瓣区域最大功率数据C和主瓣区域最小功率数据C进行近似处理，得到新目标函数G，根据所述新目标函数G和所述新约束条件，构建新优化模型；
[0011]步骤S5：利用交替方向乘子法(Alternating Direction Method of Multipliers，简称为ADMM)求解所述新优化模型，得到目标发射信号矩阵向量化算子，根据所述目标发射信号矩阵向量化算子计算出目标主瓣区域功率和目标旁瓣区域功率，根据所述目标主瓣区域功率和所述目标旁瓣区域功率绘制目标发射方向图。
[0012]本专利技术的有益效果是：通过建立初始优化模型，对旁瓣区域和主瓣区域的功率进行优化和约束，解决了传统方法因缺乏对主瓣或旁瓣的控制，导致生成的目标发射方向图存在主瓣波动过大、旁瓣较高的问题；通过对新优化模型进行近似处理，将待求解的新优化模型中存在的四阶非凸优化问题转变为可求解的二阶凸优化问题，再结合ADMM求解模型，既实现了生成所需要的目标发射方向图，又达到了目标发射方向图与期望发射方向图匹配度高的效果。
[0013]在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进。
[0014]进一步，所述步骤S1具体包括：
[0015]获取由多个发射阵元组成的集中式MIMO雷达发射阵列在目标方向θ上的发射信号的预编码矩阵和发射阵列的导向矢量，其中，所述发射信号的预编码矩阵为：
[0016]S＝[S1,S2,...,S
i
,...,S
L
][0017]其中，S表示所述发射信号的预编码矩阵，S
i
＝[s1(l),s1(l),
…
,s
m
(l),
…
,s
M
(l)]T
，i、m、l均为变量且取值为正整数，1≤i≤L，1≤m≤M，1≤l≤L，L表示信号码长，M表示发射阵元总数量，s
m
(l)表示第m个发射阵元在l时刻的发射信号，S
i
表示多个发射阵元在l时刻的发射序列；
[0018]所述发射阵列的导向矢量为：
[0019][0020]其中，a(θ)表示所述发射阵列的导向矢量，所述发射阵列的导向矢量包括旁瓣区域导向矢量和主瓣区域导向矢量，d表示阵元间距，λ表示信号波长，j表示单位虚数；(
·
)
T
表示转置运算；
[0021]根据所述发射信号的预编码矩阵获取初始发射信号矩阵向量化算子，所述初始发射信号矩阵向量化算子为：
[0022]s＝vec(S)
[0023]其中，s表示所述初始发射信号矩阵向量化算子，vec(
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MIMO发射方向图的直接波形设计方法，其特征在于，包括：步骤S1：获取发射信号的预编码矩阵和发射阵列的导向矢量，根据所述发射信号的预编码矩阵和所述发射阵列的导向矢量获取初始发射信号矩阵向量化算子和发射阵列的导向矢量的协方差矩阵，根据所述初始发射信号矩阵向量化算子和所述协方差矩阵获取初始旁瓣区域功率数据和初始主瓣区域功率数据；步骤S2：根据所述初始发射信号矩阵向量化算子、所述初始旁瓣区域功率数据和所述初始主瓣区域功率数据，构建初始优化模型，所述初始优化模型包括原目标函数和原约束条件，所述原目标函数用于表征初始旁瓣区域功率数据和初始主瓣区域功率数据之间的关系，所述原约束条件包括旁瓣约束、主瓣约束和总功率约束，所述旁瓣约束用于限制旁瓣区域的功率和，所述主瓣约束用于限制主瓣区域的功率和，所述总功率约束用于限制发射天线的发射功率；步骤S3：构建第一辅助变量，利用所述第一辅助变量对所述原目标函数进行简化处理，得到第一中间函数A，所述第一中间函数A包括旁瓣区域最大功率数据A和主瓣区域最小功率数据A，对所述第一中间函数A包含的旁瓣区域最大功率数据A和主瓣区域最小功率数据A进行优化处理，得到第二中间函数B，所述第二中间函数B包括旁瓣区域最大功率数据B和主瓣区域最小功率数据B，根据所述第二中间函数B和所述原约束条件，构建二次优化模型；步骤S4：引入第二辅助变量，利用所述第二辅助变量对所述二次优化模型进行变换，得到第三中间函数C和新约束条件，所述第三中间函数C中包括旁瓣区域最大功率数据C和主瓣区域最小功率数据C；对所述第三中间函数C包含的旁瓣区域最大功率数据C和主瓣区域最小功率数据C进行近似处理，得到新目标函数G，根据所述新目标函数G和所述新约束条件，构建新优化模型；步骤S5：利用交替方向乘子法求解所述新优化模型，得到目标发射信号矩阵向量化算子，根据所述目标发射信号矩阵向量化算子计算出目标主瓣区域功率和目标旁瓣区域功率，根据所述目标主瓣区域功率和所述目标旁瓣区域功率绘制目标发射方向图。2.根据权利要求1所述的一种MIMO发射方向图的直接波形设计方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：获取由多个发射阵元组成的集中式MIMO雷达发射阵列在目标方向θ上的发射信号的预编码矩阵和发射阵列的导向矢量，其中，所述发射信号的预编码矩阵为：S＝[S1,S2,...,S
i
,...,S
L
]其中，S表示所述发射信号的预编码矩阵，S
i
＝[s1(l),s1(l),
…
,s
m
(l),
…
,s
M
(l)]
T
，i、m、l均为变量且取值为正整数，1≤i≤L，1≤m≤M，1≤l≤L，L表示信号码长，M表示发射阵元总数量，s
m
(l)表示第m个发射阵元在l时刻的发射信号，S
i
表示多个发射阵元在l时刻的发射序列；所述发射阵列的导向矢量为：其中，a(θ)表示所述发射阵列的导向矢量，所述发射阵列的导向矢量包括旁瓣区域导向矢量和主瓣区域导向矢量，d表示阵元间距，λ表示信号波长，j表示单位虚数；(
·
)
T
表示
转置运算；根据所述发射信号的预编码矩阵获取初始发射信号矩阵向量化算子，所述初始发射信号矩阵向量化算子为：s＝vec(S)其中，s表示所述初始发射信号矩阵向量化算子，vec(
·
)表示矩阵拉直运算；根据所述发射阵列的导向矢量获取所述发射阵列的导向矢量的协方差矩阵，所述发射阵列的导向矢量的协方差矩阵为：R(θ)＝a(θ)a
H
(θ)其中，R(θ)表示所述发射阵列的导向矢量的协方差矩阵，(
·
)
H
表示共轭转置运算；根据所述初始发射信号矩阵向量化算子和所述协方差矩阵，得到初始旁瓣区域功率数据，所述初始旁瓣区域功率数据为其中，Θ
s
表示旁瓣区域，旁瓣区域对应的角度区域的功率为θ
s
表示旁瓣区域角度变量，且满足θ
s
∈Θ
s
，表示旁瓣区域导向矢量的协方差矩阵；根据所述初始发射信号矩阵向量化算子和所述协方差矩阵，得到初始主瓣区域功率数据，所述初始主瓣区域功率数据为其中，Θ
z
表示主瓣区域，主瓣区域对应的角度区域的功率为θ
z
表示主瓣区域角度变量，且满足θ
s
∈Θ
s
，表示主瓣区域导向矢量的协方差矩阵。3.根据权利要求2所述的一种MIMO发射方向图的直接波形设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，根据所述初始发射信号矩阵向量化算子、所述初始旁瓣区域功率数据和所述初始主瓣区域功率数据，构建初始优化模型具体包括：根据所述旁瓣区域最大功率与所述主瓣区域最小功率的最小比值建立原目标函数，所述原目标函数为：根据所述旁瓣区...

【专利技术属性】
技术研发人员：巩朋成，刘建宇，吴云韬，于宝成，周华兵，李利荣，李婕，
申请(专利权)人：武汉工程大学，
类型：发明
国别省市：