CN104280720B - 前视机载雷达发射方向图的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种前视机载雷达发射方向图设计方法，主要解决现有技术设计的方向图自适应性差，且在杂波区辐射能量强，目标回波信杂比低的问题。其实现步骤是：1.根据机载雷达上一时刻接收的目标和杂波回波信号及前视机载雷达参数构造导向矢量；2.根据导向矢量计算目标的回波及杂波的回波，得出目标信号的平均功率及杂波信号的平均功率计算式；3.利用目标信号的平均功率及杂波信号的平均功率构造信杂比；4.以信杂比最大为代价函数，建立对应的凸优化数学模型，得出发射信号相关矩阵的最优值；5.计算出前视机载雷达的发射方向图。本发明设计的发射方向图可在强杂波区产生低旁瓣，降低强杂波区辐射能量，可用于提高发射端抑制杂波的能力。

Description

前视机载雷达发射方向图的设计方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，机载发射端杂波抑制，特别涉及一种机载雷达发射方向图设计方法，用于提高杂波的抑制能力。

背景技术

数字元器件在雷达系统中的普遍应用产生了数字阵列雷达，数字阵列雷达的各阵元可以发射不同信号。同时通信领域中MIMO的概念[Rabideau D.J.and ParkerP..Ubiquitous MIMO Multifunction Digital Array Radar[C].Conference Record ofthe 37th Asilomar Conference on Signals,Systems and Computers,2003,vol.1,pp.1057-1064]和技术及综合脉冲孔径雷达SIAR在雷达中的应用，使得数字阵列雷达有了用武之地。MIMO雷达可以根据收发天线的间距大小分为分布式MIMO雷达和集中式MIMO雷达。对于分布式MIMO雷达，因为各个天线对目标的观测角度不同且回波具有独立性，因此，统计意义下，分布式MIMO雷达可以克服目标的闪烁效应。集中式MIMO雷达具有自由设计各阵元发射波形的能力，相较于相控阵雷达，其自由度有显著地提高，因此具有自适应发射方向图设计能力，见[Li J.and Stoica P..MIMO Radar With Colocated Antennas[J].IEEESignal Processing Magazine,Sep.2007,vol.24,pp.106-114]。

如前所述，将数字阵列雷达和MIMO技术相结合，就可以根据实际需要设计发射方向图，进而进行信号发射。目前发射方向图的设计方法都是设计发射信号的相关矩阵R。通过构造满足特定条件且含有相关矩阵R的代价函数，建立凸优化模型，再用凸优化工具包cvx求解，cvx的具体用法见[M.Grant and S.Boyd.CVX:Matlab software fordisciplined convex programming.http://stanford.edu/～boyd/cvx,Dec.2008]。

目前机载雷达大多应用相控阵制式雷达，其发射方向图虽然指向性较强，信号相干性好，但是自由度低，在发射端基本没有杂波抑制能力。而且，机载相控阵雷达对杂波的抑制处理多现于接收端，参见

[J.Ward."Space-Time Adaptive Processing for Airborne Radar"MITLincoln Laboratory,Tech.Rpt.TR-I015,13Dec.1994]。

在机载雷达的实际工作环境中，感兴趣的目标大多存在于非均匀杂波中，这大大影响了雷达检测目标的能力。因此，雷达有必要在杂波区域自适应地减少辐射能量，以此来降低接收信号中杂波的功率；对目标区域，即杂波信号弱的区域适当地加大辐射能量，依次增强接收信号中目标的回波信号功率。由于目前机载雷达可以通过对发射波形设计来获得特定的方向图，从而实现某些要求，例如在感兴趣的方向分配一定能量的同时，对杂波区域特别是强杂波区域辐射较低能量。

目前自适应发射方向图设计方法主要是基于地基雷达的，而机载雷达抑制杂波的处理都是设计在接收端，发射端则采用传统的相控阵制式，没有抑制杂波的自适应性。机载雷达的空域角度范围大于地基雷达的空域角度范围，因此，机载雷达发射端的发射方向图设计方法和地基雷达具有明显的不同。同时由于机载雷达的发射信号S是恒模矩阵，实际获得的发射信号S的相关矩阵只能近似于最优相关矩阵R，无法保证在杂波区域产生足够低的凹陷，因此将导致目标回波信号信杂比的降低。

发明内容

本发明的目的在于提出一种前视机载雷达发射方向图设计方法。以解决传统机载雷达发射端设计的自适应性差，发射方向图在杂波区辐射能量强，目标回波信杂比低的问题。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是利用杂波和目标的先验信息来设计发射方向图，在发射方向图中强杂波区域设计低旁瓣，从而在发射端抑制杂波，提高目标回波信号的信杂比，其具体步骤包括如下：

(1)根据所述前视机载雷达从上一时刻接收的目标回波和杂波回波中提取的目标的方位角θ_t、目标的散射系数以及杂波的方位角θ、杂波的散射系数所有需要观测的方位角θ_all以及雷达阵元数N、阵元间距d、脉冲数M、工作波长λ、载机俯仰角载机速度v，并用这些参数构造空域扫描矢量目标的发射导向矢量目标的空时二维导向矢量目标多普勒导向矢量杂波的发射导向矢量杂波的空时二维导向矢量以及杂波多普勒导向矢量

(2)根据目标的散射系数目标的发射导向矢量和目标的空时二维导向矢量以及待优化发射信号S，构造当前时刻目标的回波其中

(3)根据杂波的散射系数杂波的发射导向矢量和杂波的空时二维导向矢量以及待优化发射信号S，构造当前时刻杂波的回波其中

(4)利用目标的回波Y_t和杂波的回波Y_c，分别得到出目标信号的平均功率P_t和杂波信号的平均功率P_c：

其中R＝SS^H是发射信号S的相关矩阵；

(5)根据目标信号的平均功率P_t和杂波信号的平均功率P_c，构造出信杂比公式为：Z＝P_t/P_c，并以最大化信杂比Z为代价函数，建立对应的凸优化数学模型；

Z

s.t.R的特征值大于或等于零

R的各个对角线元素＝C

其中，C为机载雷达每个阵元的发射功率上限；Z表示调节R的值使得Z发达到最大值，即发射信号相关矩阵的最优值R'为求解出的Z的解；

(6)根据所述凸优化数学模型，用matlab中的凸优化工具包cvx计算出发射信号相关矩阵的最优值R'；

(7)根据发射信号相关矩阵的最优值R'，计算前视机载雷达的发射方向图

本发明的特点和进一步改进在于：

在所述步骤(1)中空域扫描矢量目标的接收导向矢量目标的发射导向矢量杂波的接收导向矢量以及杂波的发射导向矢量目标的多普勒导向矢量杂波的多普勒导向矢量目标的空时二维导向矢量、杂波的空时二维导向矢量，分别表示如下：

其中(·)^T表示矩阵的转置，表示Kronecker乘积。

本发明具有如下优点

1)本发明有效地利用了上一时刻杂波和目标信息，构造当前时刻的导向矢量，并用于后续发射方向图设计，提高了发射端设计的自适应性，并具有环境适应能力。

2)本发明以最大化信杂比为代价函数优化设计发射信号相关矩阵，能够在强杂波区域产生低旁瓣，从而降低杂波区的辐射能量，进而提高回波信号的信杂比，达到了发射端抑制杂波的目的。

附图说明

图1为本发明的实现流程图；

图2为本发明的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

本发明所针对的前视机载雷达的阵元呈现等距分布，机载雷达的阵元数为N，机载雷达的相邻阵元间距为d，机载雷达的工作波长为λ，机载雷达发射脉冲数为M、载机俯仰角载机速度v。

参照图1，为本发明的前视机载雷达发射方向图设计方法，包括以下步骤：

步骤1：利用上一时刻的回波信息构造当前时刻的导向矢量。

1a)从前视机载雷达上一时刻接收的回波信号中，提取出目标的方位角θ_t、杂波的方位角θ、所有需要观测的方位角θ_all、目标的散射系数以及杂波的散射系数其中为机载雷达对应的载机俯仰角，回波信号包括目标信号和杂波信号；

1b)结合上述回波信息和雷达阵元数N、阵元间距d、脉冲数M、工作波长λ、载机俯仰角载机速度v这些雷达参数构造如下导向矢量：

空域扫描矢量：

目标的发射导向矢量：

目标的接收导向矢量：

目标的多普勒导向矢量：

目标的空时二维导向矢量：

杂波的发射导向矢量：

杂波的接收导向矢量：

杂波的多普勒导向矢量：

以及杂波的空时二维导向矢量：

其中表示Kronecker乘积。

步骤2：利用步骤1中目标的各导向矢量构造当前时刻目标回波Y_t

根据以下公式构造当前时刻目标回波Y_t：

其中，S为待优化的机载雷达的发射信号，(·)^H表示共轭转置。

步骤3：利用步骤1中杂波的各导向矢量构造当前时刻杂波回波Y_c：

步骤4：结合步骤2中目标回波Y_t及步骤3中杂波回波Y_c，根据定义的回波平均功率分别构造当前时刻目标回波平均功率P_t及杂波回波平均功率P_c

4a)定义回波平均功率

为了简化问题，且不失一般性，假设电磁波没有传播衰减，则在远场γ方向处的回波平均功率为：

P(γ)＝a^H(γ)SS^Ha(γ)/L＝tr(E(YY^H))/L＝a^H(γ)Ra(γ)

其中，发射信号S为窄带相位调制发射信号矩阵， $S=\left[\begin{array}{c}{x}_{11},x_{12},...,x_{1L}\\ x_{21},x_{22},...,x_{2L}\\ ........,x_{\mathrm{nl}},.....\\ x_{N1},x_{N2},...,x_{\mathrm{NL}}\end{array}\right],$ N为雷达阵元数，L为发射信号的码长，n取1至N，l取1至L，表示S中第n行第l列的元素，表示元素x_n,l的相位，a(γ)表示导向矢量，γ表示方位角，(·)^H表示共轭转置，为发射信号相关矩阵，Y＝a^H(γ)S为信号S的回波，P(γ)表示发射信号S在远场γ方向处的回波平均功率；E(·)表示期望；tr(·)表示矩阵的迹；

4b)将步骤2中目标回波Y_t和步骤3杂波回波Y_c代入4a)定义的回波平均功率中，即可得出：

目标信号的平均功率P_t：

杂波信号的平均功率P_c：

作为本发明的一种变形，在计算得出目标回波Y_t以及杂波回波Y_c之后，首先构造多普勒滤波器空时匹配滤波器组如下：

其中W＝[W₁,...,W_M]表示具有M个通道的空时匹配滤波器组，M为发射脉冲数，表示多普勒滤波器组，

其中， ${\stackrel{\‾}{a}}_m=\frac{1}{\sqrt{M}}{[1,e^{-j2\mathrm{\π}(-\frac{1}{2}+\frac{m-1}{M})},...,e^{-j2\mathrm{\π}(-\frac{1}{2}+\frac{m-1}{M})(M-1)}]}^T$ 表示第m个多普勒滤波器的系数。

假设目标在第m个空时匹配滤波器，则可得出目标信号的平均功率P_t的计算公式以及杂波信号的平均功率P_c的计算公式(P_t和P_c为P(γ)的两个分量)：

步骤5：利用目标信号的平均功率P_t和杂波信号的平均功率P_c，构造信杂比表达式为Z＝P_t/P_c，该信杂比Z中包含发射信号相关矩阵R。

步骤6：以步骤5中的信杂比Z最大为代价函数，建立对应的凸优化数学模型

Z

s.t.R的特征值大于或等于零

R的各个对角线元素＝C

其中，C为机载雷达每个阵元的发射功率上限；Z表示调节R的值使得Z发达到最大值，即发射信号相关矩阵R的最优值R'为求解出的Z的解。

步骤7：求解发射信号相关矩阵R的最优值R'。

根据步骤6中所述凸优化数学模型，用matlab中的凸优化工具包cvx计算出发射信号相关矩阵R的最优值R'。

步骤8：计算发射方向图。

根据步骤7中得到的发射信号相关矩阵的最优值R'，计算前视机载雷达的发射方向图

下面通过一个仿真实例对本发明进行进一步说明：

1)实验参数：考虑一收发同置的机载雷达，其阵元数为16，阵元间距为半波长，一个CPI内发射脉冲数为10，脉冲重复频率为2000Hz，载机速度为50m/s，高度为5000m，仿真产生单个目标和非均匀分布杂波。

2)仿真场景

空域角度范围为[-90°,90°]，空间中有一个目标，该目标的方位角位于30°方向。空间分布着非均匀杂波，其中功率强于目标的杂波分布于[-83°,-69°]和[69°,83°]中，其他区域分布着均匀的功率弱于目标的杂波。

3)仿真内容

在强杂波空域分布已知的条件下，根据本发明权利要求书的步骤，设计前视机载雷达发射方向图，结果如图2所示。

从图2可见，本发明发射信号相关矩阵最优值R'对应的发射方向图在[-83°,-69°]和[69°,83°]形成了低于-45dB的凹口，在30°主瓣方向具有一定的增益，即在强杂波区域设计低旁瓣，从而在发射端抑制杂波，提高了回波信号的信杂比。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.一种前视机载雷达发射方向图设计方法，包括以下步骤：

(1)根据所述前视机载雷达从上一时刻接收的目标回波和杂波回波中提取的目标的方位角θ_t、目标的散射系数以及杂波的方位角θ、杂波的散射系数所有需要观测的方位角θ_all以及雷达阵元数N、阵元间距d、发射信号码长L、脉冲数M、工作波长λ、载机俯仰角载机速度v，并用这些参数构造空域扫描矢量目标的发射导向矢量目标的空时二维导向矢量目标多普勒导向矢量杂波的发射导向矢量杂波的空时二维导向矢量以及杂波多普勒导向矢量

(2)根据目标的散射系数目标的发射导向矢量和目标的空时二维导向矢量以及待优化发射信号S，构造当前时刻目标的回波其中

(3)根据杂波的散射系数杂波的发射导向矢量和杂波的空时二维导向矢量以及待优化发射信号S，构造当前时刻杂波的回波其中

(4)在计算得出目标回波Y_t以及杂波回波Y_c之后，首先构造多普勒滤波器空时匹配滤波器组如下：

其中W＝[W₁,...,W_M]表示具有M个通道的空时匹配滤波器组，M为发射脉冲数，表示多普勒滤波器组，

其中，表示第m个多普勒滤波器的系数；

假设目标在第m个空时匹配滤波器，则得出目标信号的平均功率P_t的计算公式以及杂波信号的平均功率P_c的计算公式：

(5)根据目标信号的平均功率P_t和杂波信号的平均功率P_c，构造出信杂比公式为：Z＝P_t/P_c，并以最大化信杂比Z为代价函数，建立对应的凸优化数学模型；

$\begin{array}{cc}\underset{R}{max}& Z\end{array}$

s.t.R的特征值大于或等于零

R的各个对角线元素＝C

其中，C为机载雷达每个阵元的发射功率上限；表示调节R的值使得Z发达到最大值，即发射信号相关矩阵的最优值R'为求解出的的解；

(6)根据所述凸优化数学模型，用matlab中的凸优化工具包cvx计算出发射信号相关矩阵的最优值R'；

(7)根据发射信号相关矩阵的最优值R'，计算前视机载雷达的发射方向图

2.如权利要求1所述的前视机载雷达发射方向图设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中空域扫描矢量目标的接收导向矢量目标的发射导向矢量杂波的接收导向矢量以及杂波的发射导向矢量目标的多普勒导向矢量杂波的多普勒导向矢量目标的空时二维导向矢量、杂波的空时二维导向矢量，分别表示如下：

其中(·)^T表示矩阵的转置，表示Kronecker乘积。