[發明專利]一種基于改進Jaya算法的MIMO雷達波形設計方法

在審

• 申請號: 202011342406.X
• 申請日: 2020-11-25
• 公開（公告）號: CN112464561A
• 公開（公告）日: 2021-03-09
• 發明（設計）人: 周明月;周建江
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/27
• 分類號: G06F30/27;G06F111/04;G06F111/06;G06F119/02
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本發明屬于MIMO雷達波形設計技術領域，公開了一種基于改進Jaya算法的MIMO雷達正交波形設計方法，包括根據相位編碼信號的自相關旁瓣峰值和互相關峰值以及自相關旁瓣能量和互相關能量構造代價函數；針對離散優化問題，在Jaya算法框架下，將遺傳算法中交叉和變異的思想引入個體更新函數；最后利用漢明掃描算法對改進Jaya算法的輸出結果進行再次優化，有效降低了波形的自相關旁瓣峰值和互相關峰值，實現了基于改進Jaya算法的離散正交相位編碼波形的優化設計。本發明不僅考慮了不同發射天線之間的互相干擾，而且設計的波形具有較低的自相關旁瓣峰值，在保證一定的探測性能的同時，有效提高了雷達的距離分辨率。

技術領域

本發明屬于多輸入多輸出雷達波形設計領域，具體涉及一種基于改進Jaya算法的MIMO雷達波形設計方法。

背景技術

多輸入多輸出(MIMO)系統可以通過其天線發射多路線性獨立的探測信號，具有空間分集和波形分集能力，且展現出巨大的緩解信號衰減的潛力。國內外學者研究發現了MIMO雷達的幾個優勢，如增加了目標信息的多樣性，提高了雷達的抗干擾能力，改善了目標識別能力。一方面，MIMO雷達在二維成像方面有其獨特的優勢，因其可以從多個角度觀察目標，使得回波信號中包含更多的信息量。另一方面，MIMO雷達可將發射陣和接收陣分布在不同的方位，即使敵方截獲接收機截獲到了雷達的信號，也無法對接收陣所在位置進行定位。此外，MIMO雷達在抗截獲性能方面還有其他強大的優勢。傳統的雷達為了檢測到RCS(RadarCross Section)較小的目標，其峰值功率一般較高，很容易被敵方的電子情報系統截獲。雷達在執行正常搜索任務時，接收的回波信號經歷了從發射機-目標-接收機的損耗，而發射信號到達敵方截獲接收機只經歷了單程的功率損耗，因此，雷達相較于敵方截獲接收機具有距離上的明顯劣勢，這嚴重威脅了雷達武器系統在戰場上的存活率。而MIMO雷達在發射端降低了峰值輻射功率和發射天線增益，這顯著提高了雷達的抗截獲性能。

MIMO雷達波形設計的現有工作主要聚焦于時域以及空間域上的正交波形生成。距離分辨率以及噪聲背景下回波信號的特性在很大程度上取決于脈沖的形狀。通常使用脈沖壓縮信號處理技術對脈沖進行調制以獲得更好的性能。脈沖壓縮技術分為數字脈沖壓縮技術和模擬脈沖壓縮技術。其中，數字脈沖壓縮技術的使用更加廣泛。由于獨立的探測信號是由多個天線發送的，在同一信號或其他發送信號之間會發生干擾，為后續的回波信號分離造成困難。因此，MIMO雷達正交波形的設計必須考慮避免自相干擾以保證雷達的任務性能。相位編碼信號中的二相碼，雖然其自相關特性良好，但是其多普勒敏感問題很難解決。多相碼波形在滿足雷達任務性能要求的同時，憑借復雜的信號結構，可使得敵方的電子情報措施更難以檢測和分析。

對各種復雜的約束和非約束問題求解的需求，促使優化領域飛速發展。相關研究人員在不斷尋找更優的算法去逼近目標函數的解，避免算法陷入局部優化現象的發生。基于種群的優化算法對于搜尋復雜多目標決策問題的近似最優解非常之有效。這些基于種群的算法具有采用較少控制參數的優勢。例如，模擬退火(SA)，遺傳算法(GA)，粒子群優化(PSO)，蟻群優化(ACO)等。上述算法都具有通用的控制參數和算法特定的參數，如SA中的退火速度，GA中的交叉概率、變異概率、選擇算子，PSO中的位置和速度以及ACO中的信息素強度。

以上這些算法在很多領域都得到了應用，但是算法本身卻存在一個很大的缺點即容易陷入局部最優點。為了解決算法本身的缺陷，針對實際問題的多樣性和復雜性，目前已經出現了多種改進算法。由于在搜索過程中，這些控制參數的設置影響了算法的全局搜索能力，對算法的精度、穩定性、收斂性都有較大的影響，因此對算法的成功起著至關重要的作用。許多學者都對調參進行了研究。但一方面，調參本身會使算法的計算量成倍增加；另一方面，不恰當的參數還容易導致算法陷入局部最優、收斂性差或者不穩定等問題。RAO RV在2016年提出了Jaya算法，該算法不需要調參，且結構簡單，容易實現，魯棒性強，已經成功應用于函數優化、圖像識別、神經網絡訓練以及工業控制等領域。因此，需要研究針對MIMO雷達波形優化設計問題。

發明內容