[发明专利]频控阵MIMO雷达系统中的波形优化设计方法

摘要

本发明公开一种频控阵MIMO雷达系统中的波形优化设计方法，主要解决现有方法为了获得距离、角度以及多普勒维较高的分辨率，需要处理很多测试数据的问题。其实现过程是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；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；3）根据构建的数据矩阵，判定数据矩阵的相干性；4）根据矩阵填充的相干特性，使用优化方法设计频控阵MIMO雷达的发射波形。本发明通过设计频控阵MIMO雷达的发射波形，使得接收数据的相干性尽可能低。因此本发明能够在获得精确的目标检测和估计时能有效减少所需的数据量的优点，可用于频控阵MIMO雷达波形设计。

主权项

一种频控阵MIMO雷达系统中的波形优化设计方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1，根据实际的频控阵MIMO雷达系统，确定频控阵MIMO雷达是由N个发射天线和M个接收天线构成的组成，发射能量是E，雷达脉冲持续时间是T，第n天线上的载波频率是fn，单模发射波形是频控阵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，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sn(t)通过加权向量后反馈到N个发射天线上，fn和写成向量形式分别为：其中，s(t)＝[s1(t),s2(t),…,sN(t)]           (4)其中，f0是第1个天线上的载波频率，Δf是频率增量；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；第n个天线到目标的相位为：其中，dt是发射阵列的阵元间隔；λn是第n个发射阵元上的载波波长,rn为散射体相对于发射阵列的第n个发射天线的距离；于是，发射阵列的第n个天线与第1个天线之间的相位差表示为：以第一个阵元作为参考阵元，由此得到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；当雷达系统发射的发射波形信号照射到K个散射体上，K个散射体分别位于角度θk(k＝1,…,K)、相对于雷达系统的距离为rk(k＝1,…,K)处；在假设散射体为点目标的情况下，雷达接收的基带信号为其中，(·)T表示转置，为第k个散射体的幅度，e(t)为噪声和干扰项，接收天线采用相控阵列，接收导向向量为：其中，dr是接收阵列的阵元间隔；接收信号先通过匹配滤波器组，使得每个匹配到发射波形sn(t)，经匹配滤波后的输出转化为其中，E为匹配滤波器组输出的噪声向量，堆积匹配滤波器组的输出，将接收信号表示成向量形式z＝vec(Z)，即式(12)转化为z＝Vβ+e                        (13)其中，β表示了目标位置和幅度信息，e为匹配后的噪声和干扰项，V包含了加权矩阵和阵列的导向矢量，其分别为V＝[v1,v2,…,vK]MN×K                   (15)其中，V的列向量为利用矩阵理论中Kronecker积的特性，即式(16)又可变换为：由式(17)可知，与阵列导向向量分离开了，因此在该情况下通过设计间接地设计了发射信号波形；式(17)可简化为其中，W定义为加权矩阵转置和单位矩阵的Kronecker积，d(θk,rk)定义为虚拟阵列的导向向量；W和d(θk,rk)分别表示为由上面的推导可知，式(13)可转化为z＝WDβ+e                       (21)其中，D的列表示虚拟阵列的导向向量，其表示为D＝[d(θ1,r1),d(θ2,r2),…,d(θK,rK)]NM×K               (22)步骤3，根据构建的数据矩阵，判定数据矩阵的相干性；基于稀疏采样，目标回波经接收天线转变到一个聚焦中心，在数据聚焦中心，将接收信号z转换成M×N的矩阵数据Y，判定数据矩阵的相干性；如若得到数据矩阵Y是稀疏的且具有低秩特性，未知的数据通过矩阵填充技术完成数据矩阵的填充；步骤4，根据矩阵填充的相干特性，使用优化方法设计频控阵MIMO雷达的发射波形；从矩阵填充理论的相干性入手，以获取最大化接收数据矩阵的估计性能为优化目标，分析优化性能与发射信号的关系；将观察数据定义为全部数据在子集Ω上的投影，即接收信号表示为未观测的数值通过求解以下的Lq惩罚得到：其中，是待估计变量，运算符PΩ(·)表示(i,j)∈Ω；μ＞0是一个常数，Lq范数定义为：其中，σi是的奇异值。