CN104635229B - 一种面向无模糊区面积扩展的相干mimo雷达波形设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向无模糊区面积扩展的相干MIMO雷达波形设计方法，包括：建立相干MIMO雷达的包括若干个波形的频率正交波形组的模型；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，使得相干MIMO雷达无模糊多普勒为1/T，同时使得相干MIMO雷达无模糊时延为T，其中T为脉冲重复周期。本发明通过调整相干MIMO雷达的频率正交波形组中任意两个波形的频率间隔的取值，使得相干MIMO雷达模糊函数切片无模糊多普勒为1/T，扩展了保持正交的相干MIMO雷达无模糊区面积。

Description

一种面向无模糊区面积扩展的相干MIMO雷达波形设计方法

技术领域

本发明涉及雷达领域，特别是涉及一种面向无模糊区面积扩展的相干MIMO雷达波形设计方法。

背景技术

目前国内外关于MIMO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，不能有效解决相干MIMO雷达无模糊区面积缩小问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种面向无模糊区面积扩展的相干MIMO雷达波形设计方法，用以解决现有技术雷达波形设计中不能有效解决相干MIMO雷达无模糊区面积缩小的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种面向无模糊区面积扩展的相干MIMO雷达波形设计方法，包括：建立相干MIMO雷达的包括若干个波形的频率正交波形组的模型；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，使得相干MIMO雷达无模糊多普勒为1/T，同时使得相干MIMO雷达无模糊时延为T，其中T为脉冲重复周期。

本发明有益效果如下：本发明通过调整相干MIMO雷达的频率正交波形组中任意两个波形的频率间隔的取值，使得相干MIMO雷达模糊函数切片无模糊多普勒为1/T，扩展保持正交的相干MIMO雷达无模糊区面积。

附图说明

图1为本发明实施例涉及的一种面向杂波抑制的相干MIMO雷达波形设计方法流程图；

图2a为现有技术相干MIMO雷达模糊函数零多普勒切片图；

图2b为现有技术相干MIMO雷达模糊函数零时延切片图；

图3为采用本发明实施例涉及的一种面向杂波抑制的相干MIMO雷达波形设计方法优化后的相干MIMO雷达模糊函数零多普勒切片图。

具体实施方式

为了解决现有技术雷达波形设计中不能有效解决相干MIMO雷达无模糊区面积缩小的问题，本发明提供了一种面向无模糊区面积扩展的相干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。

如图1所示，本发明实施例中的本发明提供一种面向无模糊区面积扩展的相干MIMO雷达波形设计方法，包括：

S101，建立相干MIMO雷达的包括若干个波形的频率正交波形组的模型；波形组中任意两个波形在相干处理时间内保持正交；

S102，调整波形组中两个相邻波形间频率间隔，使得相干MIMO雷达无模糊多普勒为1/T，同时使得相干MIMO雷达无模糊时延为T，其中T为脉冲重复周期。

本发明实施例的方法通过调整相干MIMO雷达的频率正交波形组中任意两个波形的频率间隔的取值，使得相干MIMO雷达模糊函数切片无模糊多普勒为1/T，扩展保持正交的相干MIMO雷达无模糊区面积。

为了更好理解本发明实施例中图1所示的方法，以下采用广泛应用的相干脉冲串雷达波形为例对图1所示的方法实施例中的方法进行详细描述，当然在具体实施过程中，建立的相干雷达信号模型也可以采用本实施没有描述的其他相干MIMO雷达信号模型。

步骤1，建立相干MIMO雷达信号模型，广泛应用的相干脉冲串雷达波形为：

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为脉冲中的脉冲数目；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。

步骤2，选取相干MIMO雷达的N个波形的频率正交波形组作为探测波形：

{s_n(t)＝x(t)exp[j2π(n·ΔF)t],n＝1,2...N}, (3)

其中，△F是波形组中两个相邻波形间频率间隔。

步骤3，调整波形组中两个相邻波形间频率间隔，频率间隔的取值满足下式，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. (4)

其中，A为任意正整数；

步骤4，建立相干MIMO雷达模糊函数，定义为:

其中|AF_nn′(τ，f_d)|是两个波形sn(t)和sn′(t)的互模糊函数:

上式中1/N为归一化因子；

根据公式(5)，将关系式(3)和(4)代入(6)得到：

其中，n和n’是指子脉冲串中的编号，(τ,f_d)为目标回波信号的时延和多普勒频移动，AFmain代指公式(10)后面的一串函数,仅仅是一个数学标示。其中AF_SIMO(τ，fd)为以单一波形x(t)为探测信号的SIMO雷达模糊函数:

SIMO雷达模糊函数为：

步骤5，基于保持正交的相干MIMO雷达和建立的相干MIMO雷达模糊函数，在(7)中令τ＝0得到：

在式(7)中令n-n′＝k，上式简化为:

(11)式表明，函数切片AF_MIMO(0,f_d)由SIMO雷达函数切片AF_MIMO(0,f_d)和一系列中心峰值平移到以下位置的模糊函数切片AF_SIMO(0,f_d+k△F)叠加构成:

f_d＝-k·ΔF,k＝±1,±2...±(N-1). (12)

根据(10)和(11)式，函数切片AF_MIMO(0,f_d)由SIMO雷达函数切片AF_MIMO(0,f_d)和平移的模糊函数切片AF_SIMO(0,f_d+k△F)叠加构成，其中AF_MIMO(0,f_d)和AF_SIMO(0,f_d+kΔF)的多普勒栅瓣周期间隔，都是1/T；

步骤6，基于这一思想，采用下式继续调整波形组中两个相邻波形间频率间隔，使得相干MIMO雷达模糊函数切片无模糊多普勒为1/T，

ΔF＝p/T, (13)

进而扩展保持正交的相干MIMO雷达无模糊区面积；将AF_SIMO(0,f_d+kΔF)的周期栅瓣与AF_MIMO(0,f_d)的周期栅瓣重叠，则叠加后的AF_MIMO(0,fd)栅瓣的周期间隔仍为1/T。

以下验证利用本发明实施例中式确定的波形优化设计技术能够使相干MIMO雷达无模糊时延保持为T，从而使相干MIMO雷达无模糊区面积与SIMO雷达相等。

在(7)式中令f_d＝0可得：

其中，由(9)式可知：

将(13)式和τ＝mT代入(15)可得：

将(13)式、(16)式和τ＝mT代入(14)式可得：

由(9)可知，SIMO雷达模糊函数的零多普勒切片为：

将τ＝mT代入(18)式得到：

将(19)式代入(17)式可得：

AF_MIMO(τ,0)|_τ＝mT＝AF_SIMO(τ,0)|_τ＝mT.f(n,n′). (20)

其中：

(20)式得到，MIMO雷达的时延栅瓣是SIMO雷达时延栅瓣与权函数f(n,n')乘积的结果；(21)式得到，函数f(n,n')的变量与(19)式中SIMO雷达时延栅瓣变量τ和m无关，由此得到，权函数f(n,n')对所有时延栅瓣AFSIMO(τ，0)|τ＝mT进行相同的加权处理，不改变中心峰和各栅瓣的比例关系；对模糊函数的幅度经过归一化处理以后，得到：

AF_MIMO(τ,0)|_τ＝mT＝AF_SIMO(τ,0)|_τ＝mT. (22)

由(22)式得到，当满足(13)式时，MIMO雷达零多普勒切片中时延栅瓣的位置和幅度与SIMO雷达完全相同；因此，相干MIMO雷达的无模糊时延为T，从而扩展了保持正交的相干MIMO雷达无模糊区面积。

上述实施例的方法通过调整相干MIMO雷达的频率正交波形组中任意两个波形的频率间隔的取值，使得相干MIMO雷达模糊函数切片无模糊多普勒为1/T，扩展保持正交的相干MIMO雷达无模糊区面积，克服了现有波形设计方法中对于采用N个频率正交波形的相干MIMO雷达，其无模糊多普勒可能缩小到SIMO雷达无模糊多普勒的1/N，导致相干MIMO雷达无模糊区面积缩小为SIMO雷达无模糊区面积的1/N，无模糊多普勒缩小将导致雷达多普勒模糊和多普勒频率混杂加剧，严重影响雷达测速和多普勒杂波处理性能的问题。

根据本发明实施例中的方法，例举二个应用实施例。

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＝9，N＝3。下面利用本发明设计参数△F。

1)根据公式ΔF·MT＝A，则ΔF＝A/MT＝A/0.09；

2)根据公式ΔF＝p/T，则ΔF＝100p；

在2)中令p＝2，则ΔF＝200，并且A＝18。ΔF＝200就是能够将相干MIMO雷达无模糊区面积扩展到与SIMO相等的波形参数。

现有技术相干MIMO雷达的波形组参数如表一所示，

表一

T(s)	W(s)	M	N	ΔF(Hz)	h	f(Hz)
							0.01	0.001	9	3	133	1	33

应用实施例1的波形组参数如表二所示表2所示，

表二

T(s)	W(s)	M	N	ΔF(Hz)	p
						0.01	0.001	9	3	200	2

图2a为现有技术相干MIMO雷达模糊函数零多普勒切片图；图2b为现有技术相干MIMO雷达模糊函数零时延切片图；图3为采用本发明实施例涉及的设计方法优化后的相干MIMO雷达模糊函数零多普勒切片图。如图1所示，相干MIMO雷达无模糊多普勒约为33Hz，如图2a和2b所示，相干MIMO雷达无模糊时延为0.01s；因此，表1中参数所确定的相干MIMO雷达无模糊区面积约为4/3，下降到SIMO雷达无模糊区面积的1/3；此例表明，存在特殊波形组使相干MIMO雷达的无模糊多普勒下降到SIMO雷达无模糊多普勒的1/N；并且该波形组的无模糊时延与SIMO雷达的无模糊时延相等，导致相干MIMO雷达的无模糊区面积下降到SIMO雷达的1/N。

如图2显示，采用本发明实施例中的设计方法优化后的相干MIMO雷达的无模糊多普勒达到100Hz，与相应SIMO雷达的无模糊多普勒1/T相等。

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＝9，N＝3。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/0.09；

2)根据公式ΔF＝p/T，则ΔF＝100p；

在2)中令p＝3，则ΔF＝300，并且A＝27。ΔF＝200就是能够将相干MIMO雷达无模糊区面积扩展到与SIMO相等的波形参数。

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。

Claims (2)

1.一种面向无模糊区面积扩展的相干MIMO雷达波形设计方法，其特征在于，包括：

建立相干MIMO雷达的包括若干个波形的频率正交波形组的模型；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，使得相干MIMO雷达无模糊多普勒为1/T，同时使得相干MIMO雷达无模糊时延为T，其中T为脉冲重复周期；

其中，建立的相干MIMO雷达模型包括：

$x\left(t\right)=\underset{r=0}{\overset{M-1}{\Σ}}u(t-rT),,---\left(1\right)$

$u\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{W}},-W/2<t<W/2,---\left(2\right)$

s_n(t)＝x(t)exp[j2π(n·ΔF)t]，n＝1,2…N，(3)

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为脉冲中的脉冲数目；T为脉冲重复周期，N为选取的相干MIMO雷达的波形的频率正交波形组个数，W为脉冲宽度，t为时间，选取相干MIMO雷达的N个波形的频率正交波形组作为探测波形s_n(t)；

采用下式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 (4)

其中，ΔF是波形组中两个相邻波形间频率间隔，M为脉冲中的脉冲数目，T为脉冲重复周期，A为任意正整数。

2.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，采用下式调整波形组中两个相邻波形间频率间隔，使得相干MIMO雷达的无模糊多普勒为1/T：

ΔF＝p/T (13)

其中ΔF是波形组中两个相邻波形间频率间隔，T为脉冲重复周期，p为正整数。