[发明专利]频控阵MIMO雷达系统中的波形优化设计方法

说明书

技术领域

本发明属于雷达通信技术领域，具体的说是一种新体制频控阵MIMO雷达波形设计方法，用于频控阵MIMO雷达中在获得较高的距离、角度以及多普勒维分辨率的同时，减少需要处理的测量数据。

背景技术

频控阵列(Frequency diverse array，FDA)的概念是由P.Antonik等人首次在2006年IEEE雷达年会上提出。P.Antonik指出频控阵列波束形成器的波束扫描角随着距离而变化，这样提供了更灵活的波束扫描，同时也提供了一种抗多径干扰的方式。在FDA中，相邻阵元存在一个较小的频率增量，该频率增量相对时间而言是恒定的，且远远小于载频，因此发射信号在频域上部分重叠。

MIMO(multiple-input multiple-output)雷达利用波形分集和空间分集特性能够极大地提高角度分辨率、改进目标参数的识别能力、提高低速目标和弱目标的检测以及改善目标参数估计等方面性能，并能够突破传统体制雷达的性能限制，近年来受到雷达界和相关学术界科研人员的高度关注和研究。FDA结合MIMO雷达，利用FDA-MIMO雷达的角度-距离依赖特性，能获得距离、角度以及多普勒维较高的分辨率。

压缩感知(compressive sensing,CS)，一种相对比较新的信号处理理论。根据压缩感知理论，通过使用很少的采样或者测量，能够恢复稀疏信号。压缩感知也应用到了共址式MIMO雷达和分布式MIMO雷达中，研究了估计目标的位置和速度、感知矩阵列之间相关性等问题。基于压缩感知的MIMO雷达系统在维持其性能的同时又能有效减少每个天线上的测量数据。

CS-MIMO雷达通过利用目标在角度、多普勒和距离空间的稀疏性估计目标参数。目标空间是被离散成一定的栅格，基于这些栅格构建稀疏矩阵，并通过稀疏信号恢复方法估计目标。然而，当目标偏离栅格点时，CS-MIMO雷达的性能就下降。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有方法的缺点，提出一种频控阵MIMO雷达系统中的波形优化设计方法，既能消除栅格离散化问题、又能减少计算量并获得高的分辨率。其目的是在获得精确的目标检测和估计时，能尽可能减少所需的数据量。

实现本发明的技术思想是：根据矩阵填充(matrix completion，MC)理论，接收数据矩阵的相干性，直接影响获得的MC性能，而其性能跟发射波形是直接相关的。本文的目标是设计频控阵MIMO雷达的发射波形，使得接收数据矩阵的相干性尽可能低，具体实现步骤包括如下：

步骤1，根据目标环境需要，确定频控阵MIMO雷达的发射载频、频率增量、天线数目以及波形码元长度；

考虑窄带的频控阵MIMO雷达系统的模型，其阵列由N个发射天线和M个接收天线构成的组成。频控阵MIMO雷达系统发射N个不同的发射信号x(t)，其表示如下：

其中E是发射能量，T是雷达脉冲持续时间，f_n是第n天线上的载波频率，是单模发射波形。f_n和写成向量形式分别为：

其中，f₀是第1个天线上的载波频率，Δf是频率增量；

s(t)＝[s₁(t),s₂(t),…,s_N(t)](4)

在式(3)中，考虑发射信号是由一组正交信号s(t)的线性组合产生，即每个正交信号s_n(t)通过加权向量后反馈到N个发射天线上。s(t)满足

R＝∫s(t-τ_k)s(t-τ_k)^Hdt＝∫s(t)s(t)^Hdt＝I(6)

下面推导给出发射阵列导向向量。在频控阵MIMO雷达中，经加权的发射信号x(t)通过频控阵列，照射到某个散射体上。假设该散射体位于角度θ、相对于发射阵列的第一个发射天线的距离为r处。则第1个天线到目标的相位为

其中，λ₁是第一个发射阵元上的载波波长。类似地，第n个天线到目标的相位为：

其中，d_t是发射阵列的阵元间隔。

于是，发射阵列的第n个天线与第1个天线之间的相位差可表示为：

以第一个阵元作为参考阵元，由此可得发射阵列的导向向量为：

步骤2，根据接收数据模型，构建发射波形跟虚拟导向矢量之间的解耦和；