[發(fā)明專利]無需擬合協(xié)方差矩陣的低旁瓣發(fā)射波束圖設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710871679.5
• 申請(qǐng)日: 2017-09-25
• 公開（公告）號(hào): CN107728118B
• 公開（公告）日: 2020-11-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 梁軍利;范文
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01S7/36
• 分類號(hào): G01S7/36;G01S7/42;G01S7/02
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心 61204
• 代理人: 金鳳

本發(fā)明提供了一種無需擬合協(xié)方差矩陣的低旁瓣發(fā)射波束圖設(shè)計(jì)方法，涉及MIMO雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明采用一種基于交替方向乘子法，引入輔助變量來實(shí)現(xiàn)變量分離，將原有的大量非凸限制轉(zhuǎn)換成可求解問題，運(yùn)用ADMM思想迭代求解，從而確定參數(shù)，得出理想探測(cè)波形，并盡可能降低旁瓣值，本發(fā)明由于采用一步法直接獲得具有恒模特性的MIMO雷達(dá)探測(cè)信號(hào)，同時(shí)最小化旁瓣水平，并同時(shí)在解決非凸限制時(shí)發(fā)揮了很大的優(yōu)勢(shì)；另外，本發(fā)明可以獲得具有更低旁瓣的發(fā)射波束圖，這大大降低了信號(hào)相關(guān)的干擾、雜波等干擾的影響，從而大大提高了雷達(dá)的抗信號(hào)相關(guān)噪聲性能，這是其他方法所不能達(dá)到的。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及MIMO雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種發(fā)射波束圖設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

MIMO雷達(dá)系統(tǒng)分為兩類：分布式MIMO雷達(dá)系統(tǒng)和集中式MIMO雷達(dá)系統(tǒng)，對(duì)于分布式MIMO雷達(dá)系統(tǒng)而言其天線在空間中分散布置，因此每一個(gè)天線對(duì)目標(biāo)都有不同的關(guān)注點(diǎn)，這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提高了MIMO雷達(dá)系統(tǒng)的空間多樣性；而集中式MIMO雷達(dá)系統(tǒng)，天線在空間中等間隔分布，所有天線探測(cè)的都是目標(biāo)的同一個(gè)層面，雖然這種結(jié)構(gòu)無法提高對(duì)目標(biāo)探測(cè)的空間多樣性但其可以提高對(duì)目標(biāo)探測(cè)的分辨率；另外，MIMO雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)個(gè)數(shù)是相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的T倍(T是天線個(gè)數(shù))，但相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)可以有很好的(非常窄的)波束圖，類似于相控陣?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)具有指向性的發(fā)射波束圖。

為了提高M(jìn)IMO雷達(dá)的探測(cè)效率以及分辨率，在MIMO雷達(dá)工作時(shí)通常希望探測(cè)功率集中于關(guān)心的區(qū)域(目標(biāo)的潛在區(qū)域)。傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)每個(gè)天線發(fā)射的是完全相關(guān)的探測(cè)信號(hào)，這使得其發(fā)射信號(hào)的協(xié)方差矩陣是一個(gè)秩為一的矩陣，發(fā)射波束具有很好的指向性(主要集中于與陣列垂直的方向)。然而，傳統(tǒng)的MIMO雷達(dá)要求每個(gè)天線傳輸?shù)氖窍嗷フ坏奶綔y(cè)信號(hào)，這使得雷達(dá)在空間中各個(gè)方向具有相同的探測(cè)功率，發(fā)射波束不具有指向性。因此，在MIMO雷達(dá)探測(cè)信號(hào)功率一定的情況下，設(shè)計(jì)同相控陣?yán)走_(dá)一樣具有很好的指向性的發(fā)射波束圖，可以大大提高M(jìn)IMO雷達(dá)的探測(cè)性能以及分辨率；另一方面，發(fā)射具有低旁瓣的探測(cè)信號(hào)可以大大降低雷達(dá)的截獲概率。MIMO雷達(dá)發(fā)射波束圖設(shè)計(jì)主要思想是利用探測(cè)信號(hào)之間的相關(guān)性，通過設(shè)計(jì)探測(cè)信號(hào)的協(xié)方差矩陣R來獲得期望的發(fā)射波束圖。

現(xiàn)有的MIMO雷達(dá)發(fā)射波束圖設(shè)計(jì)技術(shù)大多都基于兩步法：第一步計(jì)算探測(cè)信號(hào)的協(xié)方差矩陣R，此步驟中最常用的準(zhǔn)則有兩種，匹配準(zhǔn)則和旁瓣最小化準(zhǔn)則；第二步利用第一步的協(xié)方差矩陣計(jì)算雷達(dá)的探測(cè)信號(hào)。由于整個(gè)設(shè)計(jì)基于兩個(gè)獨(dú)立的步驟，因此這種方法存在誤差累積，且計(jì)算過程發(fā)雜。另外，R的設(shè)計(jì)有兩個(gè)約束：第一要求正定，因?yàn)镽是雷達(dá)的探測(cè)信號(hào)的協(xié)方差矩陣，第二要求R的對(duì)角線元素的值相等，為了保證功率放大器的工作效率，要求雷達(dá)的每個(gè)發(fā)射天線等功率發(fā)射信號(hào)。

在MIMO雷達(dá)發(fā)射波束圖優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，最初由美國密西根理工大學(xué)的DanielR.Fuhrmann教授(IEEE Fellow)提出，該方法第一步基于匹配準(zhǔn)則，并利用了內(nèi)點(diǎn)法獲得探測(cè)信號(hào)的協(xié)方差矩陣，第二步利用獲得的協(xié)方差矩陣結(jié)合二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)波形獲得所需的雷達(dá)探測(cè)信號(hào)。最典型的方法當(dāng)屬瑞典烏普薩拉大學(xué)的P.Stoica教授(IEEEFellow)和美國佛羅里達(dá)州大學(xué)Jan.Li教授(IEEE Fellow)提出的基于半定二次規(guī)劃(SQP)的方法，該方法第一步分別考慮了匹配準(zhǔn)則和最小化旁瓣水平準(zhǔn)則下利用半定二次規(guī)劃來優(yōu)化協(xié)方差矩陣，第二步是在基于第一步獲得的協(xié)方差矩陣，利用循環(huán)算法合成MIMO雷達(dá)所需的探測(cè)信號(hào)。以上這些兩步法可以獲得較好的發(fā)射波束，但是兩步法過程繁瑣，且存在一定的誤差累積。近來Sadjad Imani等人提出了基于匹配準(zhǔn)則，利用半定松弛(SDR)的方法直接獲得MIMO雷達(dá)探測(cè)信號(hào)，但是該方法利用的是近似(松弛)手段，因此效果也并不理想。

以上提到的MIMO雷達(dá)發(fā)射波束圖設(shè)計(jì)方法都存在較大的誤差累積，旁瓣水平都較高，并且計(jì)算過程繁瑣，這使得這些方法在實(shí)際應(yīng)用中有很多缺陷，因此在低旁瓣準(zhǔn)則下，直接設(shè)計(jì)具有恒模特性的雷達(dá)探測(cè)信號(hào)，可以對(duì)提高雷達(dá)的探測(cè)效率以及分辨率并降低截獲概率

發(fā)明內(nèi)容