CN105738895B - 一种降低mimo成像雷达近场栅瓣的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低MIMO成像雷达近场栅瓣的方法。使用本发明能够使MIMO阵列在近场成像时的栅瓣性能达到指标要求。本发明针对近场方向图具有空变性的特点，对基于虚拟阵列理论设计得到的MIMO阵列进行优化，等间距延长发射阵列并对发射阵列进行加窗处理，先从整体上压低发射阵列近场方向图的包络旁瓣，再使接收阵列栅瓣全部落入发射阵列的包络旁瓣区，从而使MIMO阵列在近场成像时的栅瓣性能达到指标要求，进而采用优化后的MIMO阵列实现低栅瓣近场成像，具有一定的普适性。对比已有技术，本发明能够克服收发阵列近场方向图畸变导致的MIMO阵列合成方向图的高栅瓣问题，提高了MIMO雷达对于近场目标的成像质量。

Description

一种降低MIMO成像雷达近场栅瓣的方法

技术领域

本发明涉及MIMO雷达技术领域，具体涉及一种降低MIMO成像雷达近场栅瓣的方法。

背景技术

MIMO雷达是近年来雷达领域中引入的一种新体制雷达，其在发射端和接收端均采用多天线结构，各个发射天线同时辐射相互正交的信号波形，接收端的每个天线接收所有发射信号并在后端进行信号分选，从而得到了远多于实际收、发阵元数目的观测通道和自由度。空间并存的多观测通道使得雷达能够实时采集携带有目标不同幅度、时延或相位的回波信息，这种并行多通道获取信息的能力正是雷达的根本优势所在。源于这种体制优势，MIMO雷达与传统的单多基地雷达或是相控阵雷达相比极大地提高了雷达的总体性能。

传统的MIMO雷达阵列设计常采用虚拟阵列理论，该理论可以通过MIMO阵列的方向图设计得出等效于大孔径密集阵列的密集阵列发射、稀疏阵列接收的MIMO雷达阵列，大幅度减小实际阵元数量。其理论基础为方向图理论：密集的发射阵列方向图中无栅瓣，但是分辨率较差；稀疏的接收阵列方向图中有栅瓣，但是分辨率较好；等效阵列的合成方向图为二者的乘积，合理的阵列参数能利用发射阵列的零点将接收阵列的栅瓣进行有效的抑制，从而体现出良好的无栅瓣特性。

但是上述理论均基于目标处于远场的假设。当目标距离较近时，由于收发阵列的方向图均发生了明显的畸变，导致发射方向图的零深变窄同时接收阵列方向图的栅瓣展宽，从而使接收阵列的栅瓣不能得到有效抑制，出现明显的残留。因此，依据虚拟阵列理论设计的密集阵列发射、稀疏阵列接收的MIMO阵列的合成方向图也会出现明显畸变，在主瓣两侧均会出现明显的栅瓣，严重影响MIMO雷达的近场成像性能。

针对这一问题，德国的Frank Gumbmann等人提出了一种通过增加发射阵元个数并对发射阵列加矩形窗配置零点位置以改善栅瓣性能的方法，并利用仿真和实验验证了该方法的有效性。虽然该方法能够一定程度上达到抑制栅瓣的效果，但是对于指定目标该方法所能达到的最优栅瓣水平是确定的，不能根据要求进行优化设计，未必能满足实际阵列设计的指标要求，故该方法并不能用于指导有指标要求的MIMO阵列设计。

因此，为了能根据给定近场目标栅瓣性能指标，设计出合适的MIMO阵列，有必要针对MIMO近场成像高栅瓣问题进行优化。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种降低MIMO成像雷达近场栅瓣的方法，能够使MIMO阵列在近场成像时的栅瓣性能达到指标要求。

本发明的降低MIMO成像雷达近场栅瓣的方法，所述MIMO成像雷达为密集阵列发射、稀疏阵列接收，且发射阵列分成两个发射子阵并分别位于接收阵列的左右两端，包括如下步骤：

步骤一，根据虚拟阵列理论获得远场成像MIMO阵列；

步骤二，采用对最大观测角度上最近的目标进行数值仿真，得到带宽对栅瓣的抑制效果σ_B；

步骤三，根据σ_GL+σ_B的旁瓣指标获得发射阵列的窗函数w(n)，其中，σ_GL为最高栅瓣指标；然后根据窗函数w(n)得到该窗对主瓣的展宽因子ξ，再基于当前发射阵列的阵元总个数N_T，得到延长之后的发射阵列阵元个数N′_T为

N'_T＝2·round(N_T/2·ξ)

其中，round表示按四舍五入取整；

步骤四，在不改变发射阵列阵元间距和两个发射阵列各自阵列中心位置的前提下，根据N′_T分别对两个发射子阵进行延长，得到新的发射阵列；然后对延长后的发射子阵分别乘以窗函数w(n)，从而得到了低栅瓣的近场成像MIMO阵列，最后采用低栅瓣的近场成像MIMO阵列进行雷达成像。

较优的，所述步骤二中，求取带宽对栅瓣的抑制效果σ_B的具体方法如下：首先在载频f_c条件下得到最大观测角度上最近目标处的单频近场方向图，得到此时的栅瓣水平σ_{GL_fc}；然后再考虑带宽为B的信号条件下对最大观测角度上最近的目标进行方位向成像，得到成像结果的栅瓣水平σ_{GL_B}；则带宽对栅瓣的抑制效果σ_B为：σ_B＝σ_{GL_fc}-σ_{GL_B}。

较优的，所述步骤三中，窗函数为泰勒窗、切比雪夫窗、Kaiser窗或余弦窗。

有益效果：

本发明针对MIMO雷达系统在近场目标成像时出现的高栅瓣问题，提出了一种通过对发射阵列进行加窗处理压低整体发射方向图旁瓣，并等间距延长发射阵列长度以使接收方向图的栅瓣完全落入发射方向图旁瓣区域，从而实现合成方向图栅瓣抑制的优化MIMO阵列，进而采用该优化阵列实现MIMO成像雷达的低栅瓣近场成像，具有一定的普适性。对比已有技术，本发明能够克服收发阵列近场方向图畸变导致的MIMO阵列合成方向图的高栅瓣问题，提高了MIMO雷达对于近场目标的成像质量。

附图说明

图1为应用虚拟阵列理论得到的远场MIMO阵列方案，图中给出的数值为下述仿真参数下得到的阵列关键参数值。

图2为基于虚拟阵列理论得到的远场MIMO阵列在(30m,45°)处的成像结果。

图3为近场低栅瓣MIMO阵列设计结果，其中阴影部分表示与原阵列不同的部分，给出的数值为优化之后的阵列关键参数，通过和图1的对比可以看出发射阵元等间距增加，但是接收阵元间距和个数不变。需要注意的是阴影部分的阵元个数只是示意，并非表示真实增加个数，具体个数以数值计算结果为准。

图4为近场低栅瓣MIMO阵列在(30m,45°)处的成像结果。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种降低MIMO成像雷达近场栅瓣的方法，针对近场方向图具有空变性的特点，通过对基于虚拟阵列理论设计得到的MIMO阵列进行优化，等间距延长发射阵列并对发射阵列进行加窗处理，先从整体上压低发射阵列近场方向图的包络旁瓣，再使接收阵列栅瓣全部落入发射阵列的包络旁瓣区，从而使MIMO阵列在近场成像时的栅瓣性能达到指标要求。

假设MIMO阵列设计采用的基本构型为密集阵列发射、稀疏阵列接收，且发射阵列分成两个子阵分别位于接收阵列的左右两端。记雷达的载频为f_c，光速为c，载波波长为λ，工作带宽为B，设计要求的角度分辨率为σ_θ，雷达的最小工作距离为R_min，成像方位角度为-θ_max～θ_max，最高栅瓣指标为σ_GL，发射阵元总个数为N_T，发射阵元间距为d_T，接收阵元总个数为N_R，接收阵元间距为d_R，发射子阵列中心到接收阵列中心的距离为y_Tcen。则参考方向图定义近场方向图为：

其中，F_T(θ|R₀,θ₀)和F_R(θ|R₀,θ₀)分别为极坐标系下目标(R₀,θ₀)的发射阵列近场方向图和接收阵列近场方向图，和分别为电磁波从第m个发射阵元和第n个接收阵元到(R₀,θ)处目标的延时。容易证明，MIMO阵列的近场合成方向图为近场发射方向图和近场接收方向图的乘积。下面分析近场目标时，不加强调的方向图均指近场方向图。

本发明给出的降低MIMO成像雷达近场栅瓣的方法，包括如下步骤：

步骤一，根据虚拟阵列理论设计远场成像MIMO阵列：根据雷达系统工作参数和方位向角度分辨率的设计指标，依据虚拟阵列理论设计出等效的MIMO阵列，该阵列在远场拥有与大孔径密集阵列相同的方向图性能，具体设计结论如下：

1)为了保证成像范围内无栅瓣出现，发射阵列的阵元间距d_T应满足关系式：一般而言，为了使阵列全角度内无栅瓣，常取

2)由于角度分辨率为为分辨率为了保证分辨率达到设计指标，应有选取适当的N_T和N_R即可，一般而言，当N_T和N_R较为接近时阵元的利用率越高；

3)为了使栅瓣得到有效抑制，接收阵列的阵元间距应为

4)发射子阵列中心到接收阵列中心的距离应为y_Tcen＝N_Rd_R/2。

至此，远场条件下的MIMO阵列已得到。其发射阵列远场方向图的第一包络零点位置为接收阵列远场方向图的第一栅瓣位置为

步骤二，确定带宽对栅瓣的抑制效果σ_B。

MIMO阵列近场BP方位向成像结果为

其中，表示第m个发射阵元发射、第n个接收阵元接收时，θ方向目标的总延时。类似的，分别表示第m个发射阵元发射、第n个接收阵元接收时，θ方向目标的单程延时。P_s(f)为发射信号s(t)的功率谱密度，F_B(θ|R₀,θ₀)为MIMO阵列的近场方向图。

上式表明，方位向BP成像结果为MIMO阵列合成方向图在频率f上的加权积分，权值为发射信号模糊函数的频谱。近场单频方向图的栅瓣位置与频率有关，由公式(1)也可以看出，近场方向图在频率域有一个积分运算，这相当于会将近场方向图的栅瓣加以平滑，能够在一定程度上改善方向图的栅瓣性能。

但是，这一平滑作用对栅瓣的抑制效果σ_B不易由公式推导得到，本发明采用对最大观测角度上最近的目标进行数值仿真得到：具体地，首先在载频f_c条件下得到最大观测角度上最近目标处的单频近场方向图，得到此时的栅瓣水平σ_{GL_fc}；然后再考虑带宽为B的信号条件下对最大观测角度上最近的目标进行方位向成像，得到成像结果的栅瓣水平σ_{GL_B}；最后，就可以得到带宽对栅瓣的抑制效果σ_B为：σ_B＝σ_{GL_fc}-σ_{GL_B}。

步骤三，设计发射阵列的窗函数并增加发射阵列的阵元个数：考虑到带宽对栅瓣的抑制效果之后，按照σ_GL+σ_B的旁瓣指标设计发射阵列的窗函数w(n)，然后根据设计的窗函数得到该窗对主瓣的展宽因子ξ，则可以取延长之后的发射阵列阵元个数为

N'_T＝2·round(N_T/2·ξ)

其中，round表示按四舍五入取整。

本发明中，窗函数可以选择泰勒窗、切比雪夫窗、Kaiser窗或余弦窗等。

然后在不改变发射阵列阵元间距和两个发射阵列各自阵列中心位置的前提下，按照上面得到的增加之后的阵元个数N′_T分别延长两个发射阵列得到新的发射阵列，然后对两端的发射阵列均乘以按照σ_GL+σ_B的旁瓣指标得到的窗函数w(n)，便得到了低栅瓣的近场成像MIMO阵列。

下面结合具体指标进行说明：

MIMO成像雷达及场景目标的设计指标如下：工作波长：0.018m；测量范围：30m～5km；工作带宽：1GHz；方位角度分辨率：3.4mrad；方位角度范围：±45°；接收阵元数：44个；最高栅瓣指标：-50dB。

采用上述方法对MIMO阵列进行设计。

具体的，包括如下步骤：

步骤一，根据虚拟阵列理论设计远场成像MIMO阵列，具体设计结论如下：1)取2)由于σ_θ＝3.4mrad，且N_R＝44，则有3)4)y_Tcen＝N_Rd_R/2＝1.188m。

远场条件下的MIMO阵列的结构图如图1所示，其在(30m,45°)的目标处方位向成像结果如图2所示，可以看出，此阵列得到的成像结果存在-38.93dB的栅瓣。

步骤二，确定带宽对栅瓣的抑制效果σ_B。

MIMO阵列近场BP方位向成像结果为

χ(θ；θ₀)＝∫_fP_s(f)F_B(θ|R₀,θ₀)df

采用对最大观测角度上最近的目标进行数值仿真，通过仿真发现，1GHz带宽对栅瓣的抑制效果能提供σ_B≈10dB左右的增益。

步骤三，设计发射阵列的窗函数并增加发射阵列的阵元个数：按照σ_GL+σ_B＝-40dB的旁瓣指标设计窗函数w(n)，不妨选用泰勒窗，根据选择的窗函数可以得到该窗对主瓣的展宽因子ξ＝1.819，取延长之后的发射阵列阵元个数为

N'_T＝2·round(N_T/2·ξ)＝22

然后在不改变发射阵列阵元间距和两个发射阵列各自阵列中心位置的前提下，按照上面得到的增加之后的阵元个数分别延长两个发射阵列得到新的发射阵列，并按照σ_GL+σ_B＝-40dB的旁瓣指标得到窗函数分别给两个发射阵列加权，便得到了低栅瓣的近场成像MIMO阵列，如图3所示，其在(30m,45°)的目标处方位向成像结果如图4所示，可以看出，此阵列得到的成像结果存在-50.05dB的栅瓣，满足设计要求。

通过本实施例的仿真处理，可以发现本发明可以根据阵列设计指标很好地对MIMO阵列进行优化设计，基于本方法得到的设计方案成像结果完全满足设计指标。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种降低MIMO成像雷达近场栅瓣的方法，所述MIMO成像雷达为密集阵列发射、稀疏阵列接收，且发射阵列分成两个发射子阵并分别位于接收阵列的左右两端，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，根据虚拟阵列理论获得远场成像MIMO阵列；

步骤二，采用对最大观测角度上最近的目标进行数值仿真，得到带宽对栅瓣的抑制效果σ_B；

步骤三，根据σ_GL+σ_B的旁瓣指标获得发射阵列的窗函数w(n)，其中，σ_GL为最高栅瓣指标；然后根据窗函数w(n)得到该窗对主瓣的展宽因子ξ，再基于当前发射阵列的阵元总个数N_T，得到延长之后的发射阵列阵元个数N′_T为

<mrow> <msubsup> <mi>N</mi> <mi>T</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <mo>=</mo> <mn>2</mn> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>r</mi> <mi>o</mi> <mi>u</mi> <mi>n</mi> <mi>d</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msub> <mi>N</mi> <mi>T</mi> </msub> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>&amp;xi;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，round表示按四舍五入取整；

步骤四，在不改变发射阵列阵元间距和两个发射阵列各自阵列中心位置的前提下，根据N′_T分别对两个发射子阵进行延长，得到新的发射阵列；然后对延长后的发射子阵分别乘以窗函数w(n)，从而得到了低栅瓣的近场成像MIMO阵列，最后采用低栅瓣的近场成像MIMO阵列进行雷达成像。

2.如权利要求1所述的降低MIMO成像雷达近场栅瓣的方法，其特征在于，所述步骤二中，求取带宽对栅瓣的抑制效果σ_B的具体方法如下：首先在载频f_c条件下得到最大观测角度上最近目标处的单频近场方向图，得到此时的栅瓣水平σ_{GL_fc}；然后再考虑带宽为B的信号条件下对最大观测角度上最近的目标进行方位向成像，得到成像结果的栅瓣水平σ_{GL_B}；则带宽对栅瓣的抑制效果σ_B为：σ_B＝σ_{GL_fc}-σ_{GL_B}。

3.如权利要求1所述的降低MIMO成像雷达近场栅瓣的方法，其特征在于，所述步骤三中，窗函数为泰勒窗、切比雪夫窗、Kaiser窗或余弦窗。