CN102998657B - 基于随机空时编码的集中式mimo雷达旁瓣压缩方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于随机空时编码的集中式MIMO雷达旁瓣压缩方法，主要解决现有方法不能进一步压低MIMO雷达波形旁瓣的问题。其过程是：（1）给定一组低旁瓣的MIMO雷达波形；（2）随机产生一个满足恒模调制的MIMO雷达随机空时编码矩阵；（3）用MIMO雷达随机空时编码矩阵对MIMO雷达波形调制后发射调制波形；（4）MIMO雷达接收回波并进行匹配处理；（5）MIMO雷达积累多次匹配处理后的回波进行相参积累。本发明具有易于实现以及能够大幅压低雷达回波旁瓣的优点；可用于压缩MIMO雷达回波的旁瓣。

Description

基于随机空时编码的集中式MIMO雷达旁瓣压缩方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，具体的说是一种基于随机空时编码的旁瓣压缩方法，用于压缩MIMO雷达回波的旁瓣。

背景技术

集中式多输入多输出MIMO雷达的发射天线在不同方向发射不同的雷达波形，为了使雷达接收天线在接收时能够区分不同的发射波形，要求雷达波形的旁瓣要低，即雷达波形要有低的距离旁瓣和互相关旁瓣。同时，为了防止大功率目标淹没附近距离单元的小功率目标以及大功率目标的距离旁瓣触发虚警，也要求MIMO雷达波形的距离旁瓣要尽可能的低。目前，主要通过设计合适的MIMO雷达波形来降低MIMO雷达波形的距离旁瓣和互相关旁瓣。至今，已经提出了很多的MIMO雷达波形设计算法，来降低波形的距离旁瓣和互相关旁瓣。虽然经过数年的研究MIMO雷达的波形设计方法已经取得了巨大的进步，但是所能获得的最小距离旁瓣峰值水平似乎已经达到了极限。并且在某些情况下，得到的波形的距离旁瓣和互相关旁瓣可能依然很高。因此，研究新的方法来进一步降低距离旁瓣和互相关旁瓣是很有意义的。

最近提出的新方法是空时编码方法以及它的改进方法。空时编码方法是一个非常有前景的方法；给定一组由MIMO雷达波形设计算法到得的波形，空时编码方法在波形发射前使用空时编码矩阵对波形进行调制，从而进一步降低波形的距离旁瓣和互相关旁瓣。研究发现，如果空时编码方法的调制矩阵和解调矩阵满足互相关相消条件，相参积累后波形间的互相关旁瓣就可以完全消除。空时编码方法能够完全消除波形间的互相关旁瓣，对于普通MIMO雷达的波形设计算法来说是一个不可能达到的任务。但是，实际上，由大功率目标引起的虚警概率与波形间的互相关旁瓣没有直接关系。这是因为集中式MIMO雷达在不同发射方向发射不同的波形，接收到的信号被分解为多个空间通道来处理不同方向的回波，所以不同方向回波的互相关旁瓣不仅取决于波形的距离旁瓣和互相关旁瓣，还取决于所用的发射天线以及回波的方向。因此，空时编码方法中满足互相关相消条件的调制矩阵和解调矩阵虽然能够完全消除波形间的互相关旁瓣，但是不一定能够得到目标回波的低距离旁瓣和低互相关旁瓣。同时，互相关相消条件要求空时编码矩阵的各列之间相互正交，由于在空时编码矩阵中相互正交的最大向量数目不会超过矩阵的维数。因此，互相关相消条件对相参积累时的脉冲重复周期个数有一个隐含的限制，即相参积累时的脉冲重复周期个数不能超过发射天线的个数，限制了相参积累的效果。另外，空时编码方法要求空时编码矩阵为对角矩阵，但是存在其它的矩阵也可以作为空时编码矩阵，限制了空时编码矩阵的选择范围。

发明内容

本发明的主要目的在于针对上述已有方法的缺点，提出了一种基于随机空时编码的旁瓣压缩方法，以大幅降低MIMO雷达回波的旁瓣，扩大空时编码矩阵的选择范围。

实现本发明的技术思路是：使用随机空时编码矩阵对MIMO雷达波形调制后发射，通过接收回波对回波匹配滤波和相参积累。具体实现步骤包括如下：

1）给定一组低旁瓣的MIMO雷达波形S；

2）MIMO雷达在第i次发射时，随机产生一个满足恒模调制的MIMO雷达随机空时编码矩阵E_i：

2a）随机产生M个在0~2π上均匀分布的实数记为列向量r，得到列向量

根据

得到一个MIMO雷达随机相位对角矩阵，记为

其中，M为发射天线的个数，diag(·)表示以输入为对角元素的对角矩阵；

2b）随机产生一个MIMO雷达随机置换矩阵P_i；

2c）根据步骤2a）和步骤2b）得到的MIMO雷达随机相位对角矩阵

和MIMO雷达随机置换矩阵P_i，得到一个MIMO雷达随机空时编码矩阵

或

3）用MIMO雷达随机空时编码矩阵E_i对MIMO雷达波形S进行调制，并发射调制后的波形S′＝E_iS；

4）MIMO雷达接收第i次发射信号的回波，基于步骤3）中调制后的波形S′对回波进行匹配处理；

5）MIMO雷达积累最近的N次匹配处理后的回波并进行相参积累，最终从整体上降低信号的旁瓣电平，其中，N为进行相参积累的脉冲重复周期个数。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

a）本发明由于只需随机产生一个MIMO雷达随机空时编码矩阵对雷达波形调制后再发射，因此易于实现；

b）本发明由于使用MIMO雷达随机相位对角矩阵与MIMO雷达随机置换矩阵相乘，得到MIMO雷达随机空时编码矩阵，因此大幅降低了雷达回波的旁瓣。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是原始MIMO雷达波形的距离旁瓣和互相关旁瓣图；

图3是本发明中四个不同方向回波的距离旁瓣和互相关旁瓣图；

图4是本发明中接收端波束形成后的距离旁瓣和互相关旁瓣图；

图5是本发明中随机空时编码矩阵调制后的多普勒维旁瓣图；

图6是本发明中随机空时编码矩阵调制后的距离旁瓣图；

图7是本发明中随机空时编码矩阵调制后的距离角度旁瓣图。

具体实施方式

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1，给定一组低旁瓣的MIMO雷达波形。

本发明没有提供MIMO雷达波形的设计算法，需要由现有的MIMO雷达波形设计算法提供一组已经设计好的MIMO雷达波形。根据现有的MIMO雷达波形设计算法使用MATLAB软件设计一组低旁瓣的MIMO雷达波形记为S，要求这组MIMO雷达波形S中雷达波形的个数等于MIMO雷达发射天线的个数M，每个雷达波形的码元个数根据实际要求确定。MIMO雷达将这组MIMO雷达波形S存储在雷达发射机中。

步骤2，随机产生一个满足恒模调制的MIMO雷达随机空时编码矩阵。

2a）使用MATLAB软件或其他编程软件随机产生M个在0~2π上均匀分布的实数记为列向量r，根据列向量r得到一个M维的列向量

根据

得到一个MIMO雷达随机相位对角矩阵，记为其中，M为发射天线的个数，diag(·)表示以输入为对角元素的对角矩阵；

2b）使用MATLAB软件或其他编程软件产生一个MIMO雷达随机置换矩阵P_i，其中，置换矩阵的每一行和每一列只有一个元素为1其余元素为0；

2c）根据步骤2a）和步骤2b）得到的MIMO雷达随机相位对角矩阵

和MIMO雷达随机置换矩阵P_i，得到一个MIMO雷达随机空时编码矩阵或

步骤3，用MIMO雷达随机空时编码矩阵对MIMO雷达波形调制后发射调制波形。

MIMO雷达在每次发射信号时，根据步骤2）中产生的MIMO雷达随机空时编码矩阵E_i对步骤1）中的MIMO雷达波形S进行调制，得到调制后的波形S′＝E_iS，MIMO雷达的所有发射天线发射调制后的波形S′。

步骤4，MIMO雷达接收回波并进行匹配处理。

MIMO雷达接收回波X，根据步骤3）中调制后的波形S′，MIMO雷达对回波X进行匹配处理，得到匹配处理后的回波X_m。匹配处理包括三个步骤：接收天线波束形成、脉冲压缩和发射天线方向综合。MIMO雷达现有多种匹配处理算法，本发明对MIMO雷达匹配处理算法的选择没有限制，可以根据实际情况进行选取。

步骤5，MIMO雷达对匹配处理后的回波进行相参积累。

5a）MIMO雷达依次存储最近的N次匹配处理后的回波X_m,其中N为进行相参积累的脉冲重复周期个数；

5b）MIMO雷达对存储的N次匹配处理后的回波X_m进行相参积累，现有多种相参积累算法，本发明对相参积累算法的选择没有限制，可以根据实际情况进行选取。

本发明的效果通过以下仿真实验进一步说明：

仿真1，原始MIMO雷达波形的距离旁瓣和互相关旁瓣。

仿真参数设置如下：MIMO雷达波形S是文献[B.Liu,Z.S.He,J.K.Zeng,B.Y.Liu,"Polyphase Orthogonal Code Design for MIMO Radar Systems",in Radar，International Conference on,pp.1-4,2006]中使用遗传算法设计的四个MIMO雷达波形，每个波形码元长度均为128；MIMO雷达系统是由4个发射天线和12个接收天线构成，发射天线的排列形式为均匀线阵，接收天线的排列形式也为均匀线阵，发射天线间的间距和接收天线间的间距均为半个波长。

根据给定的这组MIMO雷达波形S，对MIMO雷达波形S进行自相关和互相关运算得到这四个MIMO雷达波形的距离旁瓣和互相关旁瓣，对求得的距离旁瓣和互相关旁瓣取模值和归一化后画成三维图形，如图2所示。图2中的标注相关组合表示第m个和第n个波形的相关组合对应的相关组合数为n+(m-1)×M，图3、图4和图7中的标注相关组合的含义与此相同，其中M表示MIMO雷达波形S包含的波形个数。由图2可知，这四个MIMO雷达波形的距离旁瓣和互相关旁瓣都很低，符合MIMO雷达波形低距离旁瓣和低互相关旁瓣的设计准则。

仿真2，四个不同方向目标回波的距离旁瓣和互相关旁瓣。

本仿真中使用的MIMO雷达波形和雷达系统与仿真1中的设置相同。仿真中另外设定了四个不同方向的目标，这四个方向对应的归一化角频率分别为-0.3Hz、-0.1Hz、0.1Hz和0.3Hz。根据目标参数求得四个不同方向的目标回波，对目标回波进行自相关和互相关运算得到这四个方向目标回波的距离旁瓣和互相关旁瓣，对求得的距离旁瓣和互相关旁瓣取模值和归一化后画成三维图形，如图3所示。

通过对比图2和图3可知，不同方向目标回波的距离旁瓣和互相关旁瓣明显高于原始MIMO雷达波形的距离旁瓣和互相关旁瓣。

仿真3，考虑接收端波束形成时的距离旁瓣和互相关旁瓣。

本仿真中的参数设置与仿真2中的设置相同。在本仿真中增加了MIMO雷达接收端波束形成这一步骤，对仿真2中的四个目标回波使用典型的Capon波束形成算法进行波束形成，对波束形成后的目标回波进行自相关和互相关运算得到目标回波的距离旁瓣和互相关旁瓣，对求得的距离旁瓣和互相关旁瓣取模值和归一化后画成三维图形，如图4所示。

通过对比图3和图4可知，由于在MIMO雷达接收端进行了波束形成，图4中雷达回波间的互相关旁瓣大幅降低。

仿真4，随机空时编码矩阵调制后的多普勒维旁瓣。

本仿真中使用的MIMO雷达波形和雷达系统与仿真1中的设置相同。为了评估随机空时编码矩阵方法的效果，在本仿真中另外设置了一个静止目标，它的归一化角频率为0.3Hz。

首先，仿真使用MIMO雷达随机空时编码矩阵调制发射波形的情况；使用MIMO雷达随机空时编码矩阵调制MIMO雷达波形，根据目标参数得到目标回波，对目标回波进行匹配处理和相参积累后得到目标的多普勒旁瓣，取一个归一化角频率为0.3Hz，在多普勒维有5个快拍移动的多普勒旁瓣，对这个多普勒旁瓣取模值和归一化后画成二维图形，如图5中的虚线波形所示。

其次，仿真没有使用MIMO雷达随机空时编码矩阵调制发射波形的情况，根据MIMO雷达波形和得到目标参数得到目标回波，剩余步骤与上述情况相同，结果如图5中的实线波形所示。

由图5可知，由于使用了随机空时编码调制方法，多普勒旁瓣峰值水平大幅降低，从原来的-21.14dB降为现在的-36.62dB。

仿真5，随机空时编码矩阵调制后的距离旁瓣。

本仿真中的参数设置与仿真4中的设置相同。首先，根据仿真4中第一种情况中得到的相参积累后的目标多普勒旁瓣，根据目标的空间频率和多普勒旁瓣得到目标的距离旁瓣，对目标的距离旁瓣取模值和归一化后画成二维图形，如图6中的虚线波形所示。其次，根据仿真4中的第二种情况按照上述相同的步骤，得到的结果如图6中的实线波形所示。

由图6可知，由于使用了随机空时编码调制方法，距离旁瓣峰值水平大幅降低，从原来的-20.76dB降为现在的-30.12dB。

仿真6，随机空时编码矩阵调制后的距离角度旁瓣。

本仿真中的参数设置与仿真2中的设置相同。使用MIMO雷达随机空时编码矩阵调制发射波形，根据四个目标的参数得到目标的回波，对四个目标回波进行匹配处理和相参积累，对相参积累后的四个目标回波进行自相关和互相关运算得到四个目标回波的距离旁瓣和互相关旁瓣，对四个目标回波的距离旁瓣和互相关旁瓣取模值和归一化后画成三维图形，如图7所示。

通过对比图3和图7可知，本发明随机空时编码方法可以大幅降低相参积累后雷达回波的距离旁瓣和互相关旁瓣。

Claims (1)

1.一种基于随机空时编码的集中式MIMO雷达旁瓣压缩方法，包括如下步骤：

1）给定一组低旁瓣的MIMO雷达波形S；

2）MIMO雷达在第i次发射时，随机产生一个满足恒模调制的MIMO雷达随机空时编码矩阵E_i：

2a）随机产生M个在0~2π上均匀分布的实数记为列向量r，得到列向量根据

得到一个MIMO雷达随机相位对角矩阵，记为

其中，M为发射天线的个数，diag(·)表示以输入为对角元素的对角矩阵；

2b）随机产生一个MIMO雷达随机置换矩阵P_i；

2c）根据步骤2a）和步骤2b）得到的MIMO雷达随机相位对角矩阵

和MIMO雷达随机置换矩阵P_i，得到一个MIMO雷达随机空时编码矩阵

或

3）用MIMO雷达随机空时编码矩阵E_i对MIMO雷达波形S进行调制，并发射调制后的波形S′＝E_iS；

4）MIMO雷达接收第i次发射信号的回波，基于步骤3）中调制后的波形S′对回波进行匹配处理；

5）MIMO雷达积累最近的N次匹配处理后的回波并进行相参积累，最终从整体上降低信号的旁瓣电平，其中，N为进行相参积累的脉冲重复周期个数。

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