公开/公告号CN104515975A
专利类型发明专利
公开/公告日2015-04-15
原文格式PDF
申请/专利权人 中国电子科技集团公司电子科学研究院;
申请/专利号CN201410771877.0
申请日2014-12-12
分类号
代理机构工业和信息化部电子专利中心;
代理人梁军
地址 100041 北京市石景山区双园路11号
入库时间 2023-12-17 03:53:39
法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2017-02-22
授权
授权
2015-05-13
实质审查的生效 IPC(主分类):G01S7/02 申请日:20141212
实质审查的生效
2015-04-15
公开
公开
技术领域
本发明涉及雷达领域,特别是涉及一种面向杂波抑制的相干MIMO雷达 波形设计方法。
背景技术
目前国内外关于MIMO(Multiple input multiple output,多输入多输出系统) 雷达波形设计技术,主要解决波形组的正交性设计问题,利用遗传算法等各种 优化设计技术,仅将不同波形之间相关函数的副瓣降低,不能有效改善匹配滤 波过程的杂波抑制性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种面向杂波抑制的相干MIMO雷达波 形设计方法,用以解决现有技术相干MIMO雷达在波形设计上不能有效改善 匹配滤波过程的杂波抑制性能的问题。
为解决上述技术问题,本发明提供一种面向杂波抑制的相干MIMO雷达 波形设计方法,包括:
建立包括若干个波形的频率正交波形组作为相干MIMO雷达探测波形的 模型,波形组中任意两个波形在相干处理时间内保持正交;
调整波形组中两个相邻波形间频率间隔,对保持正交的相干MIMO雷达 时延维和多普勒维的栅瓣和副瓣进行抑制。
本发明有益效果如下:本发明通过对相干MIMO雷达波形的最小频率间 隔进行优化调整,使得波形组中任意两个波形在相干处理时间内保持正交;并 对保持正交的相干MIMO雷达时延维杂波或多普勒维的栅瓣和副瓣进行抑制。
附图说明
图1是本发明实施例涉及的一种面向杂波抑制的相干MIMO雷达波形设 计方法的流程图。
具体实施方式
为了解决现有技术相干MIMO雷达在波形设计上不能有效改善匹配滤波 过程的杂波抑制性能的问题,本发明提供了一种面向杂波抑制的相干MIMO 雷达波形设计方法,以下结合附图以及实施例,对本发明进行进一步详细说明。 应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不限定本发明。
图1是本发明实施例涉及的一种面向杂波抑制的相干MIMO雷达波形设 计方法的流程图,如图1所示,该方法,包括:
S101,选取相干MIMO雷达的若干个波形的频率正交波形组作为探测波 形;调整波形组中两个相邻波形间频率间隔,使得波形组中任意两个波形在相 干处理时间内保持正交;
S102,继续调整波形组中两个相邻波形间频率间隔,对保持正交的相干 MIMO雷达时延维杂波或多普勒维杂波进行滤波。
本发明通过对相干MIMO雷达波形的最小频率间隔进行优化调整,使得 波形组中任意两个波形在相干处理时间内保持正交;并对保持正交的相干 MIMO雷达时延维杂波或多普勒维杂波进行滤波。
以下对图1所示方法进行详细阐述,该方法具体包括:
步骤1,建立雷达匹配滤波器的杂波抑制性能模型,可以采用信杂比(SCR) 表示:
上式中σs2表示信号功率;σc2表示杂波功率;点目标位于时延-多普勒平 面上原点(0,0)处;AF(τ,fd)为该雷达波形或波形组的模糊函数;(τ,fd)为目标 回波信号的时延和多普勒频移;φ(τ,fd)表示杂波在时延τ-多普勒fd平面上的 分布函数。
杂波分布在区域R中,杂波的谱密度为:
在时延-多普勒平面上,雷达波形或波形组的模糊函数由中心峰、栅瓣、 副瓣和清洁区构成。根据(1)式分母中积分项所示,雷达匹配滤波器的杂波 抑制性能不仅取决于模糊函数AF(τ,fd)的清洁区大小,还取决于栅瓣和副瓣水 平。
步骤2,建立相干MIMO雷达信号模型,广泛应用的相干脉冲串波形为:
其中,x(t)为脉冲串的基带信号,u(t)为矩形脉冲,r为脉冲串中某个脉冲 的编号,M为脉冲串中的子脉冲数目,T为脉冲重复周期,MT为相干脉冲串 的相干处理时间(CPI),W为脉冲宽度,t表示时间。
假设相干MIMO雷达采用包含N个波形的频率正交波形组作为探测波形:
{sn(t)=x(t)exp[j2π(n·ΔF)t],n=1,2...N}, (5)
其中,j为复数的虚数单位,exp[]表示指数函数,△F是波形组中两个相 邻波形间的最小频率间隔。
步骤3,调整波形组中两个相邻波形间最小频率间隔,该频率间隔的取值 使得波形组中任意两个波形在相干处理时间内保持正交:
ΔF·MT=A. (6)
其中,A为任意正整数。
步骤4,采用以下公式作为相干MIMO雷达模糊函数的定义:
其中1/N为归一化因子,n和n’是指子脉A冲串中的编号,AFnn′(τ,fd)表示sn(t) 和sn’(t)的互模糊函数.;(τ,fd)为目标回波信号的时延和多普勒频移动。
由公式(1)可知,为提高相干MIMO雷达匹配滤波器的杂波抑制能力, 需要尽可能降低该雷达模糊函数的栅瓣和副瓣水平。为定量表述MIMO雷达 模糊函数的栅瓣和副瓣水平,以及通过波形设计对栅瓣和副瓣的抑制程度,本 文提出以下定义:
建立ALR准则,在时延-多普勒平面上,MIMO雷达的模糊函数水平相对 于SIMO(Single input multipleoutput,单输入多输出系统)雷达的模糊函数水平 的比例称为模糊比,简记为ALR。
ALR>1表示MIMO雷达的模糊函数水平高于相应SIMO雷达的模糊函数 水平;ALR<1表示MIMO雷达的模糊函数水平低于相应SIMO雷达的模糊函 数水平。根据上述定义,ALR可以公式化表示为:
用以模糊比ALR(8)为定量分析工具,通过对相干MIMO雷达波形参数 的优化设计,抑制该雷达模糊函数时延维和多普勒维的栅瓣和副瓣水平,以提 高该雷达匹配滤波过程中的杂波抑制性能。
步骤5,调整波形组中两个相邻波形间频率间隔,对保持正交的相干MIMO 雷达时延维杂波进行滤波,为分析时延维栅瓣和副瓣特性,令fd=0可得:
AFMIMO(τ,0)=AFmain(τ,0)+AFerror(τ,kΔF), (9)
其中AFmain代指公式(10)后面的一串函数,仅仅是一个数学标示:
和
对于式(11),本文主要分析区间|τ|≤T的模糊特性:
将公式(6)代入上式可得分母函数sin(πkΔFMT)=0。进一步,令,
kΔFT≠I, (13)
其中I为任意正整数,则分子函数sin(πkΔFT)≠0,于是
AFSIMO(τ,kΔF)|k≠0=0, (14)
并且
AFerror(τ,kΔF)=0. (15)
所以:
AFMIMO(τ,0)=AFmain(τ,0)=AFSIMO(τ,0)·P(τ), (16)
其中
公式(17)与标准线阵(ULA)的方向图具有相同数学形式,该数学形式为 本领域技术人员熟知。因此,得到以下性质:
0<|P(τ)|<1,others. (20)
公式(18)给出函数P(τ)栅瓣位置坐标,并且指出栅瓣间隔为1/ΔF;公 式(19)给出函数P(τ)的零陷位置;另外,P(τ)的副瓣峰值的位置坐标为:
本文将式(21)所确定的两个相邻副瓣峰值之间的距离定义为此两峰之间 零陷的宽度。因此,该零陷宽度为:
下面依据(8)分析时延维栅瓣和副瓣的抑制技术,得到
根据(19)和(20),除在若干栅瓣点(18)处以外,ALRτ整体低于1, 这表示相干MIMO雷达时延维模糊函数整体水平总体低于SIMO雷达模糊函 数水平。
公式(16)表明,相干MIMO雷达的模糊函数AFMIMO(τ,0)取决于SIMO 雷达模糊函数AFSIMO(τ,0)与权函数P(τ)的乘积。权函数P(τ)具有周期性的 零陷分布(19)和较低的副瓣分布(20)。因此,该零陷可用于周期性地滤除 模糊函数AFSIMO(τ,0)的栅瓣,较低的副瓣能够有效抑制相同位置处的 AFSIMO(τ,0)副瓣。通过对波形参数ΔF的优化设计,可利用权函数P(τ)对 AFSIMO(τ,0)实现滤波,达到抑制AFMIMO(τ,0)的栅瓣和副瓣水平的技术目 标,AFerror()为误差函数。。
T>1/ΔF,这表示AFSIMO(τ,0)的无模糊时延T大于权函数P(τ)的栅瓣间 隔1/ΔF,下面有两种波形设计方法抑制相干MIMO雷达的时延栅瓣和副瓣水 平:
1、如果ΔF满足:
其中G为任意正整数,则当g=h′=±1,±2…±(N-1)时,gT=h′[G/Δ F+1/(NΔF)],于是栅瓣AFSIMO(gT,0)与零陷P[h′·(G/ΔF+1/(NΔF)]重合并被 滤除。但是当g=h′=pN时(p为任意非零整数,下同),栅瓣AFSIMO(gT,0) 与栅瓣P[h′·(G/ΔF+1/(NΔF)]重合被滤入保留。所以,当满足条件(25)时, 模糊函数AFMIMO(τ,0)经过P[h′·(G/ΔF+1/(NΔF)]滤入后保留的栅瓣位置坐 标为:
τMIMO=p·NT,p=±1,±2,±3... (26)
2、如果ΔF满足:
其中G为任意正整数。当g=h′=±1,±2…±(N-1)时,gT=h′·[G/Δ F+(N-1)/(NΔF)],于是栅瓣AFSIMO(gT,0)与零陷P(h′·(G/ΔF+(N-1)/(NΔF))重 合并被滤除。但是,当g=h′=pN时,栅瓣AFSIMO(gT,0)与栅瓣P(h′·(G/Δ F+(N-1)/(NΔF))重合而被滤入保留。因此,当满足(27)时,经过滤波后模 糊函数AFMIMO(τ,0)的栅瓣位置坐标为
τMIMO=p·NT,p=±1,±2,±3... (28)
另外,由(19)式可知,权函数P(τ)在一个栅瓣间隔1/ΔF内有N-1个 零陷。当满足(6)、(25)或(27)时,这N-1个零陷能够连续性地滤除最多 N-1个模糊函数AFSIMO(τ,0)的栅瓣。
步骤6,调整波形组中两个相邻波形间频率间隔,对保持正交的相干MIMO 雷达多普勒维杂波进行滤波,为分析相干MIMO雷达多普勒栅瓣特性,中令 τ=0得到:
其中,AFerror称为误差函数:
上式表明,函数AFerror(0,fd+kΔF)由一系列中心峰值平移到以下位置的 模糊函数AFSIMO(0,fd+kΔF)构成:
fd=k·ΔF,k=±1,±2...±(N-1). (31)
式(30)中各种平移项AFSIMO(0,fd+kΔF)的栅瓣和副瓣落入AFSIMO(0,fd) 的无模糊多普勒区间|fd|≤1/T中,导致AFMIMO(0,fd)在区间|fd|≤1/T内的模糊函 数水平相对AFSIMO(0,fd)出现起伏,下面通过波形设计方式对AFMIMO(0,fd)在区 间|fd|≤1/T内的模糊函数水平进行优化,使其达到与AFSIMO(0,fd)在此区间内的 模糊函数水平相当的程度。将(29)代入(8)得到
其中:
上式中求和算子后的函数为:
在上式中进行如下标记:
(35)与P(τ)具有相同的函数形式和不同的变量。为分析(35)式特性, 假设:
T/W=Dc, (37)
其中,Dc为任意正整数。显然,Dc是相干脉冲串波形x(t)的占空比的倒数。 根据罗比达法则(L’hospital),函数asin(fd)的最大值为Dc:
|asin(fd)|≤Dc. (38)
接着分析函数asinR(fd+kΔF)(36)。对于工程上可实现的脉冲雷达波形, 占空比一般满足1%<1/Dc<30%。对于工程上可实现波形,在多普勒区间|fd|≤ 1/T内,函数asinR(fd+kΔF)满足以下近似:
|asinR(fd+kΔF)|<10. (39)
对于函数(33),在区间|fd|≤1/T,如果ΔF>>1/T,|fd/(fd+kΔF)|≈|fd/(kΔ F)|<<1。因此,在函数(33)中,能够利用fd/(fd+kΔF)对核函数|core(k)|进行压 缩。在此意义上,本文建议参数ΔF按照以下关系进行设计:
ΔF=B/T. (40)
其中B的选取应使核函数|core(k)|远小于1/[2(N-1)]:
将(37)-(40)代入(41),并利用近似关系|fd/(fd+kΔF)|≈|fd/(kΔF)|得到:
于是
针对上式,进一步令k取±1,±2…±(N-1)中任一值,可以具体确定B的 取值范围。将(41)代入(33)可得:
上式表明,在关系式(32)中,AFerror(0,fd+kΔF)/AFSIMO(0,fd)相对于1可 以忽略,于是得到如下近似
上式表明,在多普勒区间|fd|≤1/T内,相干MIMO雷达模糊函数的栅瓣和 副瓣水平接近相应SIMO雷达模糊函数的副瓣水平。
上述实施例的方法,通过对相干MIMO雷达正交波形组的优化设计,实 现对模糊函数栅瓣和副瓣水平的整体抑制,以提高相干MIMO雷达匹配滤波 器的杂波抑制性能。
对于相干MIMO雷达时延维(距离维)的模糊函数水平,可以利用本发 明实施例的方法实现对时延栅瓣的滤波,并将副瓣抑制到低于SIMO雷达时延 副瓣的程度,将使相干MIMO雷达匹配滤波器在距离维的杂波抑制性能优于 SIMO雷达。
对于相干MIMO雷达多普勒维的模糊函数水平,可以利用本发明实施例 的方法,将多普勒栅瓣和副瓣抑制到与SIMO雷达多普勒副瓣相当的程度,将 使相干MIMO雷达匹配滤波器在多普勒维的杂波抑制性能与SIMO雷达基本 相当。
综合利用本发明,可以完成对时延维和多普勒维栅瓣与副瓣水平的联合抑 制。仿真结果表明,经过波形优化设计后的相干MIMO雷达模糊函数栅瓣, 比未经优化的栅瓣高度降低20分贝左右,副瓣水平也有显著降低。
以下提供二个应用实施例,应用本发明实施例的方法设计参数ΔF。
应用实施例一:
根据雷达系统的总体设计要求,各参数初始设置为:T=0.01秒,W=0.001 秒,M=8,N=4,下面利用本发明设计参数ΔF;
1)根据公式ΔF·MT=A.,则ΔF=A/MT=A·12.5;
2)根据公式
3)根据公式T/W=Dc,则Dc=10;
4)根据公式取k=1得到B>>450。
5)根据公式ΔF=B/T.得到
6)将ΔF>>45000.代入2)式得到G>>450,因此取G=4500,则ΔF=450025.并且 A=36002。
7)将ΔF=450025.代入公式kΔFT≠I,判断公式是否成立,如不成立,重复公式 6)的步骤,直到获取参数ΔF的具体取值。本例中ΔF=450025.满足公式kΔFT≠I。
应用实施例二:
根据雷达系统的总体设计要求,各参数初始设置为:T=0.01秒,W=0.001 秒,M=8,N=4,下面利用本发明设计参数ΔF;
1)根据公式ΔF·MT=A.,则ΔF=A/MT=A·12.5;
2)根据公式
3)根据公式T/W=Dc,则Dc=10;
4)根据公式取k=1得到B>>450。
5)根据公式ΔF=B/T.得到
6)将ΔF>>45000.代入2)式得到G>>450,因此取G=4501,则ΔF=450125.并且 A=36010。
7)将ΔF=450125.代入公式kΔFT≠I,判断公式是否成立,如不成立,重复公式 6)的步骤,直到获取参数ΔF的具体取值。本例中ΔF=450125.满足公式kΔFT≠I。
仿真结果表明,经过波形优化设计后的相干MIMO雷达模糊函数栅瓣, 比未经优化的栅瓣高度降低20分贝左右,副瓣水平也有显著降低。
尽管为示例目的,已经公开了本发明的优选实施例,本领域的技术人员将 意识到各种改进、增加和取代也是可能的,因此,本发明的范围应当不限于上 述实施例。
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