[發明專利]頻控陣MIMO雷達系統中的波形優化設計方法

有效

• 申請號: 201610067449.9
• 申請日: 2016-01-30
• 公開（公告）號: CN105699945B
• 公開（公告）日: 2017-12-26
• 發明（設計）人: 鞏朋成;李婕;張正文;賀章擎;趙曉晴
• 申請（專利權）人: 湖北工業大學
• 主分類號: G01S7/02
• 分類號: G01S7/02;G06F17/50
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙)42222
• 代理人: 趙麗影

技術領域

本發明屬于雷達通信技術領域，具體的說是一種新體制頻控陣MIMO雷達波形設計方法，用于頻控陣MIMO雷達中在獲得較高的距離、角度以及多普勒維分辨率的同時，減少需要處理的測量數據。

背景技術

頻控陣列(Frequency diverse array，FDA)的概念是由P.Antonik等人首次在2006年IEEE雷達年會上提出。P.Antonik指出頻控陣列波束形成器的波束掃描角隨著距離而變化，這樣提供了更靈活的波束掃描，同時也提供了一種抗多徑干擾的方式。在FDA中，相鄰陣元存在一個較小的頻率增量，該頻率增量相對時間而言是恒定的，且遠遠小于載頻，因此發射信號在頻域上部分重疊。

MIMO(multiple-input multiple-output)雷達利用波形分集和空間分集特性能夠極大地提高角度分辨率、改進目標參數的識別能力、提高低速目標和弱目標的檢測以及改善目標參數估計等方面性能，并能夠突破傳統體制雷達的性能限制，近年來受到雷達界和相關學術界科研人員的高度關注和研究。FDA結合MIMO雷達，利用FDA-MIMO雷達的角度-距離依賴特性，能獲得距離、角度以及多普勒維較高的分辨率。

壓縮感知(compressive sensing,CS)，一種相對比較新的信號處理理論。根據壓縮感知理論，通過使用很少的采樣或者測量，能夠恢復稀疏信號。壓縮感知也應用到了共址式MIMO雷達和分布式MIMO雷達中，研究了估計目標的位置和速度、感知矩陣列之間相關性等問題。基于壓縮感知的MIMO雷達系統在維持其性能的同時又能有效減少每個天線上的測量數據。

CS-MIMO雷達通過利用目標在角度、多普勒和距離空間的稀疏性估計目標參數。目標空間是被離散成一定的柵格，基于這些柵格構建稀疏矩陣，并通過稀疏信號恢復方法估計目標。然而，當目標偏離柵格點時，CS-MIMO雷達的性能就下降。

發明內容

本發明的目的在于針對上述已有方法的缺點，提出一種頻控陣MIMO雷達系統中的波形優化設計方法，既能消除柵格離散化問題、又能減少計算量并獲得高的分辨率。其目的是在獲得精確的目標檢測和估計時，能盡可能減少所需的數據量。

實現本發明的技術思想是：根據矩陣填充(matrix completion，MC)理論，接收數據矩陣的相干性，直接影響獲得的MC性能，而其性能跟發射波形是直接相關的。本文的目標是設計頻控陣MIMO雷達的發射波形，使得接收數據矩陣的相干性盡可能低，具體實現步驟包括如下：

步驟1，根據目標環境需要，確定頻控陣MIMO雷達的發射載頻、頻率增量、天線數目以及波形碼元長度；

考慮窄帶的頻控陣MIMO雷達系統的模型，其陣列由N個發射天線和M個接收天線構成的組成。頻控陣MIMO雷達系統發射N個不同的發射信號x(t)，其表示如下：

其中E是發射能量，T是雷達脈沖持續時間，f_n是第n天線上的載波頻率，是單模發射波形。f_n和寫成向量形式分別為：

其中，f₀是第1個天線上的載波頻率，Δf是頻率增量；

s(t)＝[s₁(t),s₂(t),…,s_N(t)](4)

在式(3)中，考慮發射信號是由一組正交信號s(t)的線性組合產生，即每個正交信號s_n(t)通過加權向量后反饋到N個發射天線上。s(t)滿足

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

下面推導給出發射陣列導向向量。在頻控陣MIMO雷達中，經加權的發射信號x(t)通過頻控陣列，照射到某個散射體上。假設該散射體位于角度θ、相對于發射陣列的第一個發射天線的距離為r處。則第1個天線到目標的相位為

其中，λ₁是第一個發射陣元上的載波波長。類似地，第n個天線到目標的相位為：

其中，d_t是發射陣列的陣元間隔。

于是，發射陣列的第n個天線與第1個天線之間的相位差可表示為：

以第一個陣元作為參考陣元，由此可得發射陣列的導向向量為：

步驟2，根據接收數據模型，構建發射波形跟虛擬導向矢量之間的解耦和；