CN106338724B - 机扫米波mimo三坐标雷达威力的获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机扫米波MIMO三坐标雷达威力的获取方法，其思路为：确定米波MIMO三坐标雷达，该米波MIMO三坐标雷达的阵元个数为N，阵元间距为d，并计算米波MIMO三坐标雷达的半功率接收波束宽度，进而确定目标所在空域的角度观测范围，进而计算K个波束各自的波束指向，计算米波MIMO三坐标雷达的发射信号矢量S(t)，并根据K个波束各自的波束指向，计算K个波束各自的能量发射图；根据K个波束各自的波束指向，计算米波MIMO三坐标雷达在K个波束各自的波束指向处的天线接收方向图增益；根据K个波束各自的能量发射分布图和K个波束各自在米波MIMO三坐标雷达的天线接收方向图增益，计算K个波束各自在米波MIMO三坐标雷达的自由威力图。

Description

机扫米波MIMO三坐标雷达威力的获取方法

技术领域

本发明属于米波三坐标雷达探测技术领域，特别涉及一种机扫米波MIMO三坐标雷达威力的获取方法，能够根据目标所在不同俯仰角计算雷达自由空间的探测威力，用于提升雷达测距的准确度并提高探测感兴趣仰角上目标的威力。

背景技术

传统米波三坐标雷达能够用于方位上机械扫描、俯仰上进行数字波束形成，由于受天线尺寸所限制，其俯仰上形成的数字波束较宽，使得地(海)面反射较强，目标回波存在较强多径信号，即天线接收到的目标散射电磁波存在两条路径：直射路径和反射路径；由于多径信号的存在会导致米波三坐标雷达垂直面上的波瓣分裂和上翘，除影响目标检测外还严重影响目标高度测量；米波三坐标雷达测高问题得以解决的关键是提高仰角分辨率，这就需要提高米波三坐标雷达的天线尺寸，但受制于实际条件限制，米波三坐标雷达天线尺寸不可能做的很大；而MIMO体制雷达则能够完美解决这一问题，因为MIMO雷达采用接收数字波束形成和发射数字波束形成，这相当于增加了天线孔径，从而能提高雷达角分辨率和测角精度。但是，由于MIMO雷达发射的是正交波形，且能量在空间均匀分布，使得高仰角没有目标的空间区域发射的正交波形能量损失；对于低仰角可能需要看的更远的这一约束条件又显得能量不足。

针对此问题相关研究人员提出了部分相关波形方法，使用部分相关波形方法得到的部分相关波形能量不是均匀分布而是在某些俯仰角处能量较大，而其余俯仰角能量很低；因此利用部分相关波形方法能够提高某些俯仰角的探测威力；其次，目前大多数雷达威力估计时没有考虑到接收数字波束形成(DBF)增益，实际上随着波束偏离法线方向，波束会展宽，天线增益会下降，这也会导致雷达探测威力的损失，从而导致测距不准确。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提出一种机扫米波MIMO三坐标雷达威力的获取方法，该种机扫米波MIMO三坐标雷达威力的获取方法通过部分相关波形能量分布联合接收数字波束形成(DBF)增益获取机扫米波MIMO三坐标雷达，能够提高感兴趣俯仰角范围内的机扫米波MIMO三坐标雷达的探测威力并提升测距准确度。

为达到上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

一种机扫米波MIMO三坐标雷达威力的获取方法，包括以下步骤：

步骤1：确定米波MIMO三坐标雷达，该米波MIMO三坐标雷达的阵元个数为N，阵元间距为d，并计算得到米波MIMO三坐标雷达的半功率接收波束宽度；

步骤2：根据米波MIMO三坐标雷达的半功率接收波束宽度，确定目标所在空域的角度观测范围，进而计算得到K个波束各自的波束指向，K表示对目标所在空域的角度观测范围划分的波束个数；

步骤3：计算米波MIMO三坐标雷达的发射信号矢量S(t)，并根据K个波束各自的波束指向，计算得到K个波束各自的能量发射分布图；

步骤4：根据K个波束各自的波束指向，计算得到米波MIMO三坐标雷达在K个波束各自的波束指向处的天线接收方向图增益；

步骤5：根据K个波束各自的能量发射分布图和米波MIMO三坐标雷达在K个波束各自的波束指向处的天线接收方向图增益，计算得到K个波束各自在米波MIMO三坐标雷达的自由威力图。

本发明的有益效果：

本发明方法通过利用波形能量分布和数字波束形成(DBF)增益联合，能够有效改善某些感兴趣俯仰角度探测威力不足的问题，并提高机扫米波MIMO三坐标雷达威力探测的准确度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的一种机扫米波MIMO三坐标雷达威力的获取方法流程图；

图2为本发明的10个合成波束覆盖范围及波束指向示意图；

图3为本发明运用部分相关波形和传统正交MIMO波形发射波形能量在0°到90°俯仰范围内分布比较示意图；

图4为本发明运用部分相关波形DBF增益以及双程增益探测威力比较示意图；

图5为本发明运用部分相关波形和MIMO正交波形的探测威力比较示意图。

具体实施方式

参照图1，为本发明的一种机扫米波MIMO三坐标雷达的获取方法流程图；所述机扫米波MIMO三坐标雷达的获取方法，包括以下步骤：

步骤1：确定米波MIMO三坐标雷达，该米波MIMO三坐标雷达的阵元个数为N，阵元间距为d，并计算得到米波MIMO三坐标雷达的半功率波束宽度θ_0.5，其计算过程如下：

首先将米波MIMO三坐标雷达波束指向天线法线处的方向性函数记为F(θ)，θ表示米波MIMO三坐标雷达的波束宽度，通常米波MIMO三坐标雷达的波束很窄，即|θ|很小，所以所以得到米波MIMO三坐标雷达波束指向天线法线处的近似方向性函数其表达式为：

所述米波MIMO三坐标雷达波束指向天线法线处的近似方向性波束函数近似为辛克(Sinc)函数，所述近似方向性波束函数在半功率点上的值分别是θ₊和θ_-，θ₊表示米波MIMO三坐标雷达波束最大幅值对应的波束宽度正值，θ-表示米波MIMO三坐标雷达波束最大幅值对应的波束宽度负值；由辛克函数曲线，当时，x＝±0.443π，故当θ＝θ₊时，得到所以有进而得到米波MIMO三坐标雷达的半功率波束宽度θ_0.5，其表达式为：

其中，λ表示米波MIMO三坐标雷达发射信号的波长，N表示米波MIMO三坐标雷达的阵元个数，d表示米波MIMO三坐标雷达的阵元间距，Nd表示米波MIMO三坐标雷达的线阵长度；特别地，当时

步骤2：根据米波MIMO三坐标雷达的半功率接收波束宽度θ_0.5，确定目标所在空域的角度观测范围，进而计算得到K个波束各自的波束指向，K表示对目标所在空域的角度观测范围划分的波束个数。

(2a)根据米波MIMO三坐标雷达的半功率接收波束宽度θ_0.5，确定目标所在空域的角度观测范围为[θ_d,θ_u]，θ_u表示目标所在空域的最低俯仰角，θ_d表示目标所在空域的最高俯仰角。

为了覆盖目标所在空域的角度观测范围[θ_d,θ_u]，则将目标所在空域的角度观测范围[θ_d,θ_u]划分为K个波束，且必须满足因为当K个波束各自的波束指向为半波束时覆盖目标所在角度空域范围有效，继而求出

其中，ceil(X)表示不小于X的最小整数，θ_u表示目标所在空域的最低俯仰角，θ_d表示目标所在空域的最高俯仰角，K为自然数。

(2b)根据目标所在角度空域范围[θ_d,θ_u]和K个波束，计算得到K个波束各自的波束指向，其中将第i个波束的波束指向记为θ_i，其表达式为：

θ_i＝θ_d+(i-1)θ_0.5

其中，i∈{1,2,…,K}，K表示对目标所在空域的角度观测范围划分的波束个数。

步骤3：计算米波MIMO三坐标雷达的发射信号矢量S(t)，并根据K个波束各自的波束指向，计算得到K个波束各自的能量发射分布图。

(3a)计算米波MIMO三坐标雷达的发射信号矢量S(t)，并根据所述米波MIMO三坐标雷达的发射信号矢量S(t)，计算得到米波MIMO三坐标雷达的发射信号的相关矩阵R，其表达式分别为：

S(t)＝[s₁(t),s₂(t),...,s_n(t),...,s_N(t)]^T

其中，n∈{1,…,N}，s_n(t)表示第n个阵元的发射信号，N表示米波MIMO三坐标雷达的阵元个数，β_nl表示第n个阵元的发射信号和第l个阵元的发射信号的相关系数，s_n[k]表示第n个阵元的发射信号的第k个离散采样点，s_l[k]表示第l个阵元的发射信号的第k个离散采样点，m∈{1,…,N}，l∈{1,…,N}，k∈{1,2,…,L}，L表示每一个阵元的发射信号的离散采样点数，(·)^*表示共轭运算。

(3b)根据K个波束各自的波束指向，计算得到K个波束各自的发射导向矢量，其中将第i个波束的发射导向矢量记为a(θ_i)，其表达式为：

其中，i∈{1,2,…,K}，K表示对目标所在空域的角度观测范围划分的波束个数，λ表示米波MIMO三坐标雷达发射信号的波长，d表示米波MIMO三坐标雷达的阵元间距。

(3c)根据米波MIMO三坐标雷达的发射信号的相关矩阵R和K个波束各自的发射导向矢量，计算得到K个波束各自的能量发射分布图，其中将第i个波束的能量发射分布图记为P(θ_i)，其表达式为：

P(θ_i)＝a^H(θ_i)Ra(θ_i)

其中，上标H表示共轭转置。

步骤4：根据K个波束各自的波束指向，计算得到米波MIMO三坐标雷达在K个波束各自的波束指向处的天线接收方向图增益，其中将米波MIMO三坐标雷达在第i个波束的波束指向θ_i处的天线接收方向图增益记为G_r(θ_i)，其表达式为：

G_r(θ_i)＝G_rcos(θ_i)

其中，i∈{1,2,…,K}，K表示对目标所在空域的角度观测范围划分的波束个数,θ_i表示第i个波束的波束指向，G_r表示米波MIMO三坐标雷达法线方向处的天线接收方向图增益。

步骤5：根据K个波束各自的能量发射分布图和米波MIMO三坐标雷达在K个波束各自的波束指向处的天线接收方向图增益，计算得到K个波束各自在米波MIMO三坐标雷达的自由威力图，其中将第i个波束在米波MIMO三坐标雷达的自由威力图记为其表达式为：

其中，P_t表示米波MIMO三坐标雷达的发射功率，G_t(θ_i)表示米波MIMO三坐标雷达在第i个波束的波束指向θ_i处的天线发射方向图增益，G_r(θ_i)表示米波MIMO三坐标雷达在第i个波束的波束指向θ_i处的天线接收方向图增益，因此P_tG_t(θ_i)与P(θ_i)成正比关系，λ表示米波MIMO三坐标雷达发射信号的波长，σ表示目标散射面积，S_inmin表示米波MIMO三坐标雷达输入的最小可检测信号功率。

1)仿真条件：

本发明仿真实验中软件仿真平台为MATLAB R2012b，实验中设定雷达天线在垂直面上是一个均匀等距线阵，阵列个数N＝10，发射信号波长为λ，阵元间距d＝λ2，因此波束宽度θ_0.5≈10°；收发天线共用，10个天线分别发射10个不同的信号波形，它们之间或正交或部分相关，假定在MIMO部分相关波形情况下能量最大方向处的双程增益下雷达的探测威力是100km。

2)仿真内容及结果：

仿真1，本实验用于验证本发明方法为了覆盖某个目标俯仰角范围内所需要的波束个数及其指向角。在上述条件下，假定目标俯仰角范围在0°到90°范围内，根据阵元间距与阵元个数计算得到波束宽度θ_0.5≈10°，10个波束合成后的覆盖范围图如图2所示，图2为本发明的10个合成波束覆盖范围及波束指向示意图。

由图2可知，在第一个主波束指向0°以及波束宽度在10°情况下，需要10个波束才能覆盖0°到90°的空域范围，波束指向角分别是0°、10°、20°、30°…90°。

仿真2，本实验用于对比本发明方法所采用的正交波形和部分相关波形的发射能量随俯仰角的变化情况，结果如图3所示，图3为本发明运用部分相关波形和传统正交MIMO波形发射波形能量在0°到90°俯仰范围内分布比较示意图。

由图3可知，正交波形在0°到90°的空域范围内能量一致，均匀分布；而部分相关波形只是在我们感兴趣的某一范围内比如0°到30°辐射能量比较大，而其他区域内能量分布很低。

仿真3，本实验用于验证本发明方法与使用部分相关波形使用双程增益相比在0°到90°俯仰范围内的测距威力情况。两种方法的测距威力随目标俯仰角变化图如图4所示，图4为本发明运用部分相关波形DBF增益以及双程增益探测威力比较示意图。

由图4可知，由于采用的都是部分相关波形，能量集中在0°到30°因此测距威力较大范围主要集中在这一区域，又因为考虑到接收DBF增益随着俯仰角的增大而随余弦曲线下降，因此考虑到DBF增益时，随着俯仰角的增大测距衰减越厉害。红色曲线是和理论值更接近，考虑到DBF增益时尽管测距有损失却能更准确计算雷达探测距离，从而指导雷达的设计。

仿真4，本实验用于验证本发明方法与使用MIMO正交波形相比在部分空域范围内的测距情况。在上述条件下，假定目标范围在0°到90°范围内，波束宽度θ_0.5≈10°，分别采用本发明方法和传统MIMO正交波形方法处理，在每个波束内进行探测距离计算，得到本发明方法和传统MIMO正交波形方法的测距威力随目标俯仰角变化图如图5所示，图5为本发明运用部分相关波形和MIMO正交波形的探测威力比较示意图。

由图5可知，MIMO情况下由于发射波形能量分布比较均匀，因此在不同俯仰区域内测距范围一致，而在部分相关波形下，由于波束能量主要集中在0°到30°范围内，因此在这一范围内使用部分相关波形可以极大提高测距威力。

综上可知，本发明方法可提高感兴趣俯仰角范围内目标测距能力，尤其是在高俯仰角范围内没有目标的情况下，不需要将发射能量分布到这些区域，而尽可能将这部分能量集中到其他仰角，当然如果感兴趣的俯仰角不是0°到30°而是其他，可据此设计相对应的部分相关波形从而设计出所需要的雷达；另外，虽然DBF增益对低俯仰角衰减不是很大，依旧需要考虑这部分增益来精确计算雷达测距威力。

综上所述，仿真实验验证了本发明的正确性，有效性和可靠性。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围；这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种机扫米波MIMO三坐标雷达威力的获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定米波MIMO三坐标雷达，该米波MIMO三坐标雷达的阵元个数为N，阵元间距为d，并计算得到米波MIMO三坐标雷达的半功率接收波束宽度；

步骤2：根据米波MIMO三坐标雷达的半功率接收波束宽度，确定目标所在空域的角度观测范围，进而计算得到K个波束各自的波束指向，K表示对目标所在空域的角度观测范围划分的波束个数；

步骤3：计算米波MIMO三坐标雷达的发射信号矢量s(t)，并根据K个波束各自的波束指向，计算得到K个波束各自的能量发射分布图；

步骤4：根据K个波束各自的波束指向，计算得到米波MIMO三坐标雷达在K个波束各自的波束指向处的天线接收方向图增益；

步骤5：根据K个波束各自的能量发射分布图和米波MIMO三坐标雷达在K个波束各自的波束指向处的天线接收方向图增益，计算得到K个波束各自在米波MIMO三坐标雷达的自由威力图。

2.如权利要求1所述的一种机扫米波MIMO三坐标雷达威力的获取方法，其特征在于，在步骤1中，将所述米波MIMO三坐标雷达的半功率接收波束宽度记为θ_0.5，其表达式为：

其中，λ表示米波MIMO三坐标雷达发射信号的波长，N表示米波MIMO三坐标雷达的阵元个数，d表示米波MIMO三坐标雷达的阵元间距，Nd表示米波MIMO三坐标雷达的线阵长度。

3.如权利要求2所述的一种机扫米波MIMO三坐标雷达威力的获取方法，其特征在于，步骤2的子步骤为：

(2a)根据米波MIMO三坐标雷达的半功率接收波束宽度θ_0.5，确定目标所在空域的角度观测范围为[θ_d，θ_u]，θ_u表示目标所在空域的最低俯仰角，θ_d表示目标所在空域的最高俯仰角；并将目标所在空域的角度观测范围[θ_d，θ_u]划分为K个波束，且必须满足继而求出

其中，ceil(X)表示不小于X的最小整数，K为自然数；

(2b)根据目标所在角度空域范围[θ_d，θ_u]和K个波束，计算得到K个波束各自的波束指向，其中将第i个波束的波束指向记为θ_i，其表达式为：

θ_i＝θ_d+(i-1)θ_0.5

其中，i∈{1，2，…，K}，K表示对目标所在空域的角度观测范围划分的波束个数。

4.如权利要求1所述的一种机扫米波MIMO三坐标雷达威力的获取方法，其特征在于，步骤3的子步骤为：

(3a)计算米波MIMO三坐标雷达的发射信号矢量s(t)，并根据所述米波MIMO三坐标雷达的发射信号矢量s(t)，计算得到米波MIMO三坐标雷达的发射信号的相关矩阵R，其表达式分别为：

s(t)＝[s₁(t)，s₂(t)，...，s_n(t)，...，s_N(t)]^T

其中，n∈{1，…，N}，s_n(t)表示第n个阵元的发射信号，N表示米波MIMO三坐标雷达的阵元个数，β_nl表示第n个阵元的发射信号和第l个阵元的发射信号的相关系数，s_n[k]表示第n个阵元的发射信号的第k个离散采样点，s_l[k]表示第l个阵元的发射信号的第k个离散采样点，l∈{1，…，N}，k∈{1，2，…，L }，L 表示每一个阵元的发射信号的离散采样点数，(·)^*表示共轭运算；

(3b)根据K个波束各自的波束指向，计算得到K个波束各自的发射导向矢量，其中将第i个波束的发射导向矢量记为a(θ_i)，其表达式为：

其中，i∈{1，2，…，K}，K表示对目标所在空域的角度观测范围划分的波束个数，λ表示米波MIMO三坐标雷达发射信号的波长，d表示米波MIMO三坐标雷达的阵元间距，θ_i表示第i个波束的波束指向；

(3c)根据米波MIMO三坐标雷达的发射信号的相关矩阵R和K个波束各自的发射导向矢量，计算得到K个波束各自的能量发射分布图，其中将第i个波束的能量发射分布图记为P(θ_i)，其表达式为：

P(θ_i)＝a^H(θ_i)Ra(θ_i)

其中，上标H表示共轭转置。

5.如权利要求1所述的一种机扫米波MIMO三坐标雷达威力的获取方法，其特征在于，在步骤4中，所述米波MIMO三坐标雷达在K个波束各自的波束指向处的天线接收方向图增益，其中将米波MIMO三坐标雷达在第i个波束的波束指向θ_i处的天线接收方向图增益记为G_r(θ_i)，其表达式为：

G_r(θ_i)＝G_rcos(θ_i)

其中，i∈{1，2，…，K}，K表示对目标所在空域的角度观测范围划分的波束个数，θ_i表示第i个波束的波束指向，G_r表示米波MIMO三坐标雷达法线方向处的天线接收方向图增益。

6.如权利要求1所述的一种机扫米波MIMO三坐标雷达威力的获取方法，其特征在于，在步骤5中，所述K个波束各自在米波MIMO三坐标雷达的自由威力图，其中将第i个波束在米波MIMO三坐标雷达的自由威力图记为其表达式为：

其中，P_t表示米波MIMO三坐标雷达的发射功率，G_t(θ_i)表示米波MIMO三坐标雷达在第i个波束的波束指向θ_i处的天线发射方向图增益，G_r(θ_i)表示米波MIMO三坐标雷达在第i个波束的波束指向θ_i处的天线接收方向图增益，因此P_tG_t(θ_i)与P(θ_i)成正比关系，λ表示米波MIMO三坐标雷达发射信号的波长，σ表示目标散射面积，S_inmin表示米波MIMO三坐标雷达输入的最小可检测信号功率。