[发明专利]空间合成信号特性可控的MIMO雷达波形设计方法

说明书

本发明公开的空间合成信号特性可控的MIMO雷达波形设计方法，具体按照以下步骤实施：步骤1：在恒模约束下，通过优化发射波形x，构建以目标方向的反射信号功率更大，同时使不同目标方向的反射信号互不相关的优化模型；步骤2：构建拉格朗日乘子项，将步骤1优化模型中的非线性非凸约束条件迁移至目标函数中得以简化；步骤3：通过交替优化的方式求解目标函数，更新拉格朗日乘子项，重复迭代步骤获得优化波形x。本发明的空间合成信号特性可控的MIMO雷达波形设计方法，使得集中式MIMO雷达能够发射具有特定方向图的波形以实现对不同方向目标的同时探测，并增强了集中式MIMO雷达进行多目标探测的稳健性。

技术领域

本发明属于雷达信号处理方法技术领域，具体涉及一种空间合成信号特性可控的MIMO雷达波形设计方法。

背景技术

集中式多输入多输出(MIMO)雷达具有多个发射和接收天线，各发射天线可以发射不同波形，具有波形分集的优势，使得雷达系统具有较高的自由度。MIMO雷达发射波形设计一直是人们关注的重要问题之一，利用波形分集的优势，可以针对不同的工作场景和需求，灵活的设计发射方向图。当MIMO雷达需要对整个空间进行观测，搜索低速目标时，可以发射正交波形，产生全向方向图。与传统波束扫描方式相比，全向方向图可以对潜在目标或感兴趣区域提供更长时间的驻留时间，从而提高估计精度。当需要对空间中某个区域进行观测，可以发射部分正交波形，产生宽波束方向图覆盖该区域。当需要对多个方向的目标进行跟踪时，可采用多波束方向图的模式，同时对多个目标进行观测。

传统雷达只能产生单个窄波束，并通过机械扫描的方式对目标进行探测和跟踪，因此无法实现对多目标的探测。相控阵雷达通过阵列加权产生单个窄波束，通过控制加权相位对空域实现电扫描。虽然相控阵雷达也可以通过调整加权相位，实现多波束方向图，然而由于系统自由度限制，所能实现的方向图形状有限。另外，相控阵雷达各天线发射波形相同，导致各方向信号的方向图是完全相关的。研究表明，任何自适应雷达信号处理技术的统计性能在很大程度上取决于方向图的互相关，随着波束互相关的增加，雷达检测性能会迅速下降。例如进行目标波达方向(DOA)估计时，各目标回波间的相关系数越高，DOA估计性能越差。MIMO雷达由于各天线可以发射不同波形，因此可以通过对发射波形进行优化设计，在获得期望的方向图同时，使得各探测方向互相关尽可能降低，提升检测性能。

MIMO雷达波形设计方法通常包含两种，第一种首先设计发射波形的协方差矩阵匹配发射方向图，然后从获得的协方差矩阵导出发射波形。第二种方法直接设计发射波形以获得所需的发射方向图，可以避免从方向图到协方差矩阵以及从协方差矩阵到波形两级设计工作所产生的累积误差。针对多波束低互相关方向图的MIMO雷达波形设计任务，现有方法通常对各指向方向的发射功率以及互相关方向图都采用求和形式，并采用惩罚项对互相关方向图进行惩罚。这种建模方式只能限制总的互相关水平，无法做到准确地控制两两信号之间的互相关方向图，这对检测性能会造成影响。另外，现有方法考虑的都是信号的互相关方向图，但实际中，影响检测性能的是两个方向信号互相关方向图的相关系数。针对互相关方向图的波形设计，互相关约束项通常会建模为四次多项式的形式，多线性最大增量算法(MBI)是求解四次多项式优化问题的一个很好的选择，但是目前的MBI算法无法解决具有复杂约束条件的情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空间合成信号特性可控的MIMO雷达波形设计方法，使得集中式MIMO雷达能够发射具有特定方向图的波形以实现对不同方向目标的同时、稳健探测。

本发明所采用的技术方案是：空间合成信号特性可控的MIMO雷达波形设计方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：考虑一个具有M个发射天线的集中式MIMO雷达系统，在恒模约束下，通过优化发射波形x，构建以空间中方位角处目标的反射信号功率更大，同时使不同方向目标{θ_p,θ_q}的反射信号互不相关的优化模型；

步骤2：构建拉格朗日乘子项，将步骤1优化模型中的非线性非凸约束条件迁移至目标函数中得以简化；