CN105699944B - 基于lfm基波束的mimo雷达部分相关波形设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于LFM基波束的MIMO雷达部分相关波形设计方法，主要解决现有技术所设计波形的发射方向图性能和多普勒容忍性不能兼顾的问题。其实现步骤是：设定波形参数和期望方向图，采用基波束算法得到各基波束和各线性调频信号组的时宽；根据各基波束及各线性调频信号组的时宽，构造各线性调频信号组；用各线性调频信号组合成发射波形。本发明构造发射方向图接近基波束的线性调频信号组，并用线性调频信号组合成发射波形，使波形的发射方向图能够更好地逼近期望方向图，并保证波形具有较强的多普勒容忍性，可用于对MIMO雷达发射波形的设计。

Description

基于LFM基波束的MIMO雷达部分相关波形设计方法
技术领域
本发明属于MIMO雷达技术领域，具体的说是一种部分相关波形设计方法，可用于MIMO雷达发射能量的合理配置。
背景技术
多输入多输出MIMO雷达是一种具有多个发射和接收天线的新体制雷达，各发射天线可以灵活地发射不同的波形，具有波形分集的优势。根据波形间的相关性，发射波形可以分为正交波形和部分相关波形两类。对于正交波形，各波形相互正交，发射能量在整个空间区域内均匀分布。对于部分相关波形，各波形具有一定的相关性，通过设计满足期望方向图的部分相关波形，可以使发射能量集中在特定的空间区域，从而提高电磁能量的利用率，解决雷达系统空间能量的合理配置问题。对于MIMO雷达部分相关波形的设计，现有的方法有：
杨金柱在“MIMO雷达波形设计及信号处理工程实现研究，西安电子科技大学，2014”硕士学位论文中，提出了一种基于线性调频LFM信号的部分相关波形设计方法。该方法是基于线性调频LFM信号进行波形设计的，因此具有较强的多普勒容忍性，但是其发射方向图的旁瓣较高，而且主瓣能量有一定的损失，不能较好地逼近期望方向图。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的缺陷，提出基于LFM基波束的MIMO雷达部分相关波形设计方法，以减小旁瓣和主瓣能量的损失，实现发射方向图对期望方向图的较好逼近，并保证波形具有较强的多普勒容忍性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：采用基波束算法得到构成期望方向图的基波束及线性调频LFM信号组的时宽，构造各线性调频LFM信号组，进而合成发射波形，其实现步骤包括如下：
1)设定波形个数、波形带宽、波形时宽及期望方向图，由基波束算法得到I个基波束bi(θ)和I个线性调频信号组的时宽Ti，i＝1,2,…,I，θ为空域角度；
2)根据基波束bi(θ)和线性调频信号组的时宽Ti，构造线性调频信号组si：
2a)在0～1/Ti内搜索得到能使线性调频信号组si的发射方向图主瓣宽度等于bi(θ)的波束宽度的频率间隔Δfi；
2b)通过优化得到能使线性调频信号组si的发射方向图主瓣中心等于bi(θ)的波束指向的初相矢量Φi；
2c)利用上述频率间隔Δfi及初相矢量Φi计算线性调频信号组si；
3)利用构造的I个线性调频信号组合成发射波形。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
本发明构造发射方向图接近基波束的线性调频LFM信号组，并用线性调频LFM信号组合成发射波形，是一种基于线性调频LFM基波束的部分相关波形设计方法，利用发射方向图由线性调频LFM基波束构成的特点，实现了发射方向图对期望方向图的良好逼近，而且采用线性调频LFM信号保证了波形具有较强的多普勒容忍性。
理论分析和仿真结果表明，本发明与现有技术相比，所设计波形的发射方向图能够更好地逼近期望方向图，而且保证了波形具有较强的多普勒容忍性。
附图说明
图1是本发明的实现流程图；
图2是用本发明方法与现有方法所设计波形的发射方向图对比图；
图3是用本发明方法与现有方法所设计波形的多普勒容忍性对比图。
具体实施方式
参照图1，本发明的实现步骤如下：
步骤1，获得基波束及线性调频信号组的时宽。
设定波形个数、波形带宽、波形时宽及期望方向图，由基波束算法得到I个基波束bi(θ)和I个基信号采样点数Numi，由基信号采样点数Numi和波形时宽T计算出I个线性调频信号组的时宽i＝1,2,…,I，θ为空域角度。
步骤2，利用基波束和线性调频信号组的时宽，构造线性调频信号组：
2a)在0～1/Ti内搜索得到能使线性调频信号组si的发射方向图主瓣宽度等于bi(θ)的波束宽度的频率间隔Δfi；
(2a1)在0～1/Ti内取N个频率间隔Δfi n＝1/(nTi)，n＝1,2,…,N，每个Δfi n对应一个线性调频信号组
(2a2)利用频率间隔Δfi n计算中M个信号的中心频率m＝1,2,…,M，其中M为发射阵元数，f0为载频；
(2a3)计算中信号的调频带宽得到调频斜率其中B为发射信号的总带宽；
(2a4)利用上面得到的中心频率和调频斜率计算中的M个线性调频信号m＝1,2,…,M，其中t为0～Ti内的采样时间，为中第m个信号的初相，且设定
(2a5)构造N个线性调频信号组n＝1,2,…,N，计算协方差矩阵再计算发射方向图由Pi n(θ)得到Pi n(θ)的主瓣宽度BWi n，其中()T表示矩阵的转置，()H表示矩阵的共轭转置，()*表示矩阵的共轭，为MIMO雷达在角度θ的发射阵列导向矢量，式中λ为发射信号波长，d为发射阵元间距；
(2a6)查找N个发射方向图的主瓣宽度BWi 1,BWi 2,…,BWi n,…,BWi N中等于bi(θ)波束宽度的某个值，设查找结果为第v个主瓣宽度值BWi v，其中v∈{1,2,…,N}；
(2a7)从N个频率间隔Δfi 1,Δfi 2,…,Δfi n,…,Δfi N中取出第v个频率间隔Δfi v，则线性调频信号组si的频率间隔Δfi确定为Δfi＝Δfi v；
2b)通过优化得到能使线性调频信号组si的发射方向图主瓣中心等于bi(θ)的波束指向的初相矢量Φi；
(2b1)将线性调频信号组si的初相矢量Φi设定为一个变量X；
(2b2)利用变量X与2a)得到的频率间隔Δfi，按照(2a2)～(2a5)计算发射方向图，将发射方向图与bi(θ)的差值设定为目标函数F(X)；
(2b3)在0～2π内随机产生M个数值，记为c1,c2,…,cM，其中M为发射阵元数，构造向量X0＝[c1,c2,…,cM]T，将X0设定为变量X的初始值；
(2b4)利用上面设定的变量X、目标函数F(X)和初始值X0，采用序列二次规划求解出最优值X1，则线性调频信号组si的初相矢量Φi确定为Φi＝X1；
2c)利用上述频率间隔Δfi及初相矢量Φi计算线性调频信号组si；
(2c1)利用频率间隔Δfi计算线性调频信号组si中M个信号的中心频率m＝1,2,…,M，调频带宽Bsi＝B-(M-1)Δfi，调频斜率μi＝Bsi/Ti，f0为载频，B为发射信号的总带宽；
(2c2)利用中心频率fim、调频斜率μi和初相矢量Φi，计算线性调频信号组si中的M个线性调频信号m＝1,2,…,M，其中t为0～Ti内的采样时间，为初相矢量中的第m个元素；
(2c3)利用上面计算出的M个线性调频信号si1,si2,…,sim,…,siM构造线性调频信号组si＝[si1,si2,…,sim,…,siM]T。
步骤3，利用线性调频信号组合成发射波形。
利用上面构造的I个线性调频信号组s1,s2,…,si,…,sI合成发射波形S，即S＝[s1,s2,…,si,…,sI]。
本发明的效果可通过以下仿真实验进一步说明：
1、仿真条件
MIMO雷达的发射阵列采用26个阵元的半波长等间隔均匀线阵，发射信号的载频为450MHz，时宽为600μs，带宽1MHz，采样率等于带宽。感兴趣的目标探测区域为0°～55°，则期望方向图为0°～55°的宽波束。
2、仿真内容
仿真1，将本发明方法与现有方法所设计波形的发射方向图进行对比，仿真结果如图2所示。
从图2可以看出，现有方法所设计波形的发射方向图旁瓣较高，且有较宽的过渡带，主瓣区域的能量也有较大损失，本发明方法所设计波形的发射方向图旁瓣较低，主瓣能量的损失有明显的减小，相比之下，本发明方法的发射方向图能够更好地逼近期望方向图。
仿真2，将本发明方法与现有方法所设计波形的多普勒容忍性进行对比，仿真结果如图3所示。
从图3可以看出，由于现有方法所设计波形采用的是一组线性调频信号，所以具有很强的多普勒容忍性，本发明方法是采用多组线性调频信号合成发射波形，所以多普勒容忍性会有一定的损失，但是基本不会影响对目标的检测，所以本发明方法所设计的波形仍然具有较强的多普勒容忍性。

Claims (3)

1.一种基于LFM基波束的MIMO雷达部分相关波形设计方法，包括：
1)设定波形个数、波形带宽、波形时宽及期望方向图，由基波束算法得到I个基波束bi(θ)和I个线性调频信号组的时宽Ti，i＝1,2,…,I，θ为空域角度；
2)根据基波束bi(θ)和线性调频信号组的时宽Ti，构造线性调频信号组si：
2a)在0～1/Ti内搜索得到能使线性调频信号组si的发射方向图主瓣宽度等于bi(θ)的波束宽度的频率间隔Δfi；
2b)通过优化得到能使线性调频信号组si的发射方向图主瓣中心等于bi(θ)的波束指向的初相矢量Φi；
2c)利用上述频率间隔Δfi及初相矢量Φi计算线性调频信号组si：
(2c1)利用频率间隔Δfi计算线性调频信号组si中M个信号的中心频率调频带宽Bsi＝B-(M-1)Δfi，调频斜率μi＝Bsi/Ti，其中M为发射阵元数，f0为载频，B为发射信号的总带宽；
(2c2)利用中心频率fim、调频斜率μi和初相矢量Φi，计算线性调频信号组si中的M个线性调频信号其中t为0～Ti内的采样时间，为初相矢量中的第m个元素；
(2c3)利用计算出的M个线性调频信号si1,si2,…,sim,…,siM构造线性调频信号组si＝[si1,si2,…,sim,…,siM]T；
3)利用构造的I个线性调频信号组合成发射波形。
2.根据权利要求1所述的基于LFM基波束的MIMO雷达部分相关波形设计方法，其特征在于，步骤2a)中在0～1/Ti内搜索得到能使线性调频信号组si的发射方向图主瓣宽度等于bi(θ)的波束宽度的频率间隔Δfi，按如下步骤进行：
(2a1)在0～1/Ti内取N个频率间隔Δfi n＝1/(nTi)，n＝1,2,…,N，每个Δfi n对应一个线性调频信号组
(2a2)利用频率间隔Δfi n计算中M个信号的中心频率 其中M为发射阵元数，f0为载频；
(2a3)计算中信号的调频带宽得到调频斜率其中B为发射信号的总带宽；
(2a4)利用上面得到的中心频率和调频斜率计算中的M个线性调频信号其中t为0～Ti内的采样时间，为中第m个信号的初相，且设定
(2a5)构造N个线性调频信号组计算协方差矩阵再计算发射方向图由Pi n(θ)得到Pi n(θ)的主瓣宽度BWi n，其中()T表示矩阵的转置，()H表示矩阵的共轭转置，()*表示矩阵的共轭，为MIMO雷达在角度θ的发射阵列导向矢量，式中λ为发射信号波长，d为发射阵元间距；
(2a6)查找N个发射方向图的主瓣宽度BWi 1,BWi 2,…,BWi n,…,BWi N中等于bi(θ)波束宽度的某个值，设查找结果为第v个主瓣宽度值其中v∈{1,2,…,N}；
(2a7)从N个频率间隔Δfi 1,Δfi 2,…,Δfi n,…,Δfi N中取出第v个频率间隔Δfi v，则线性调频信号组si的频率间隔Δfi确定为Δfi＝Δfi v。
3.根据权利要求2所述的基于LFM基波束的MIMO雷达部分相关波形设计方法，其特征在于，步骤2b)中通过优化得到能使线性调频信号组si的发射方向图主瓣中心等于bi(θ)的波束指向的初相矢量Φi，按如下步骤进行：
(2b1)将线性调频信号组si的初相矢量Φi设定为一个变量X；
(2b2)利用变量X与2a)得到的频率间隔Δfi，按照(2a2)～(2a5)计算发射方向图，将发射方向图与bi(θ)的差值设定为目标函数F(X)；
(2b3)在0～2π内随机产生M个数值，记为c1,c2,…,cM，其中M为发射阵元数，构造向量X0＝[c1,c2,…,cM]T，将X0设定为变量X的初始值；
(2b4)利用上面设定的变量X、目标函数F(X)和初始值X0，采用序列二次规划求解出最优值X1，则线性调频信号组si的初相矢量Φi确定为Φi＝X1。
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