[发明专利]频率分集MIMO雷达距离‑角度解耦合波束形成方法

说明书

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，特别涉及一种频率分集MIMO雷达距离-角度解耦合波束形成方法，可用于检测目标和抑制与距离相关的干扰。

背景技术

多输入多输出MIMO雷达相比于传统相控阵雷达，能够有效地利用发射自由度，实现发射-接收联合处理，能够提高自适应能力，提高雷达参数估计性能。然而传统的多输入多输出MIMO雷达仅具有角度维自由度，没有距离维自由度，难以实现与距离相关的干扰抑制。

频率分集阵列的概念由Paul Antonik等人于2006年国际雷达会议上提出，具有灵活的波束控制能力，日渐引起国内外学者的关注。相比于传统的相控阵雷达，其各发射阵元的载频存在一个小的频率间隔，由此可以产生与距离-角度依赖的天线方向图。近十年来，关于频率分集阵列雷达的距离-角度二维波束形成、与距离相关干扰的抑制等特性已有研究。然而频率分集阵列方向图的距离-角度二维依赖性由频率增量决定，不能自适应地形成零点和凹陷，对复杂环境和干扰的抑制能力差，在这些情况下会造成目标检测性能的严重下降，因此需要自适应地形成与环境相匹配的波束方向图，增强频率分集阵列方向图在复杂环境下的适应能力。

发明内容

本发明目的在于提出一种频率分集MIMO雷达距离-角度解耦合波束形成方法，自适应地形成与环境相匹配的距离-角度解耦合的波束方向图，增强频率分集阵列方向图在复杂环境下的适应能力，提高目标检测性能。

是在频率分集多输入多输出MIMO雷达系统的基础上，对其距离-角度二维域的自适应波束形成技术进行研究，发掘其在距离-角度联合域进行目标检测以及抑制与距离相关干扰的能力。

本发明的基本思路是：在高斯白噪声背景下，通过对均匀分布线阵的各发射阵元间引入频率间隔，通过频率分集阵列发射正交波形信号，通过产生与距离、角度都相关的发射导向矢量，通过在接收端对回波信号采用最小方差无失真响应MVDR的自适应波束形成技术，由此可以产生与角度、距离同时依赖的天线方向图，进而在距离-角度联合域进行目标检测以及干扰抑制。其实现方案如下：

(1)在共址等距线阵的各发射阵元间引入频率间隔Δf，得到频率分集阵列第m个发射阵元的发射信号频率：

f_m＝f₀+(m-1)Δf,m＝1,2,…,M

其中，M为发射阵元数目，f₀为第一个天线，即参考天线的载频；

(2)根据发射信号总能量E和频率分集阵列的发射信号频率f_m，得到第m个发射阵元的发射信号：

其中，E为发射信号总能量，φ_m(t)为第m个阵元发射波形，j表示虚数，t为传播时间；

(3)获得频率分集阵列接收端回波信号：

(3a)获得接收端第n个阵元的接收信号：

其中，y_m,n(t)为第n个阵元接收由第m个阵元所发射的信号,n＝1,2,…,N，N为接收阵元天线数目；

(3b)构建发射导向矢量a_L(θ,R)和接收导向矢量a_R(θ)：

其中θ代表角度，R代表距离，d_L、d_R分别为发射、接收阵元间距，符号⊙为哈达玛Hadamard积，符号[·]^T表示转置运算；

(3c)将接收端各个阵元接收的信号表示为如下矩阵形式：

其中，Φ为各个阵元发射波形的矩阵，ξ为反射系数；

(3d)根据(3c)获得接收端的合成回波信号表达式：

其中S为接收的目标信号矩阵，θ₀和R₀分别为目标所在角度和距离，J为接收的干扰信号矩阵，θ_i和R_i分别为第i个干扰源所在角度和距离，D为干扰源数目，N为高斯白噪声，ξ_s和ξ_i分别为目标信号和干扰的反射系数；

(3e)将合成回波信号X经过M路波形匹配后，再进行矢量输出，得到接收信号的快拍矢量y；

(4)根据(3e)中的接收信号矢量y进行波束形成：

(4a)根据(3e)中的接收信号矢量y计算干扰加噪声协方差矩阵：

其中是第i个干扰的功率，为噪声协方差矩阵，符号是克罗内克Kronecker积；