CN106374235B - 一种基于子阵化四维天线阵的mimo雷达装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于子阵化四维天线阵的的MIMO雷达装置，它包含相互重叠的多个子阵，每个子阵端所连接的高速射频开关，复杂可编程逻辑器件，所述的多个重叠子阵分别发射相互正交的波形，既能获得相干处理增益，又能获得波形分集增益，发射天线的权矢量由射频开关的周期性时间调制产生，可以实现低副瓣的自适应波束，本发明提供的STM‑MIMO天线尤其适合强干扰环境下的雷达探测应用平台。

Description

一种基于子阵化四维天线阵的MIMO雷达装置
技术领域
本发明属于天线工程技术领域，涉及雷达探测与阵列信号处理，具体来说是一种基于子阵化分并采取多输入多输出工作模式的四维天线阵列，可用于要求高效灵活波束形成的雷达探测系统。
背景技术
1963年，美国学者Kummer等人提出了时间调制天线阵的概念：通过对天线激励的周期性通断，可以在“时间”维控制天线的辐射孔径尺寸。时间调制天线阵列属于四维天线阵的一种。四维天线阵列采用射频开关按照预定的工作时序控制每个单元的工作状态，使天线阵的口径随时间变化，即具有时间调制特性，从而大大增加天线阵的设计自由度。四维天线阵在综合低/超低副瓣方向图与赋形波束方面很有优势，已经取得诸多成果。近年来，四维天线阵的工程应用研究日益受到重视。目前已有关于四维天线阵在同时多波束扫描、脉冲多普勒雷达、单脉冲测向等应用的文献报道。作为一种设计灵活性很强的新型阵列天线，四维天线在雷达与通信领域具有非常大的应用空间与潜在优势。目前，关于四维天线阵在MIMO雷达中的应用还未见报道。
雷达系统使用调制波形和定向性天线发射电磁波照射目标并接收其回波，由此获得目标的距离、距离变化率(径向速度)、方位、高度等信息。天线是雷达系统中最重要的电子设备。
相控阵天线具有纳秒级的快速波束扫描能力，并且完全没有机械波束扫描系统具有的运动惯性、时间延迟以及机械振动等缺点，因此在雷达探测领域得到广泛应用。相控阵雷达中各天线单元发射一种波形，总的发射波束由这些具有相位延迟的相同波形叠加而成。由于每个单元发射的是相干波形，相控阵雷达具有很高的相干处理增益。但是相控阵雷达的角分辨率较低，难以识别多个信号源或抑制多个干扰源。
为了提高系统信道容量，一种基于多输入多输出(MIMO)天线的新型雷达体制被提出。MIMO雷达利用多个天线发射多个相互正交的波形，在接收端用多个天线接收目标的回波。能够在不增加额外功率或者带宽的前提下增加容量，提供空分复用增益。相较于相控阵雷达，MIMO雷达有效提升角分辨率，可探测更多目标，能够更灵活的进行收发波束形成。然而，MIMO雷达同时具有若干缺点。由于每个单元发射正交波形，它的发射相干处理增益很低，因此会导致波形损失。此外，MIMO雷达的信噪比会降低。
在公开号为CN 105589067 A的专利中，一种MIMO雷达系统被提出。该系统包含M个发射天线与N个接收单元，M个正交波形被发射。该系统中，每种波形只被一个天线单元发射，发射波束定向性很差，导致极低的相干增益。虽然MIMO雷达拓展了系统的信道容量，但是也带来低增益、波形损失等问题，而且面对弱目标探测时尤为困难。
在A.Hassanien等人发表的文献“Phased-MIMO radar:a tradeoff betweenphased-array and MIMO radars”中，提出相控MIMO雷达的概念。通过将发射天线划分为多个子阵，每个子阵间发射正交波形，子阵内各单元发射相参波形，从而同时获得相干处理增益与波形分集增益。由于该技术在相控阵雷达与MIMO雷达间作了折衷与平衡，所以称为相控MIMO雷达。但是这种相控MIMO雷达在发射波束形成时，受限于传统阵列天线激励饱和放大的限制，难以得到足够低的副瓣电平。考虑到四维天线阵在综合低副瓣方向图的优势，如果能将四维天线阵与与MIMO结合，将能实现良好的自适应波束形成特性。
面对以上应用需求，本发明提出一种基于子阵化四维天线阵的MIMO雷达装置，通过将四维天线划分为若干子阵，每个子阵发射相互正交的波形，接收端使用多个天线接收回波并进行信号处理。该系统可称为子阵化时间调制MIMO(subarrayed time-modulatedMIMO，STM-MIMO)雷达,其集合了MIMO雷达与时间调制技术的优点，能极大提升系统的抗干扰抗噪声能力与波束形成的灵活性。
发明内容
本发明鉴于上述背景而实现，目的在于集合四维天线阵与MIMO的优点，提出一种基于子阵化四维天线的改进型MIMO雷达装置。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案。考虑STM-MIMO具有M单元发射天线与N单元接收天线，发射阵列与接收阵列相距较近，相对于目标的视角可认为相等。将M元间距为半波长的发射阵分为K个子阵，每个子阵包含Mk个单元。为了使子阵孔径最大化，允许相邻子阵最大程度重叠，即相邻子阵有Mk-1个共用单元。则每个子阵内的单元数为
MK＝M-K+1 (1)
每个子阵端都连接一个调制频率为fp的高速射频开关，各个子阵的时序函数为Uk(t)。这K个子阵分别发射K个正交波形ψ(t)＝[ψ1(t),...,ψK(t)]T。则STM-MIMO天线的辐射远场阵因子为
为了保证时间调制后的正交波形保持正交性，单向相位运动中心时序被采用。该时序可以被写为
于是每个子阵端时间调制产生的等效激励为Ak＝τk/Tpr。
发射天线的上行波束赋形加权为A＝[τ1/Tpr,τ2/Tpr,...,τK/Tpr]T。将发射导向矢量记为atk(θ)，则发射相干处理矢量为at(θ)＝[at1(θ),...,atK(θ)]T，波形分集矢量为b(θ)＝[1,ejβd sinθ,...,ejβ(K-1)d sinθ]T。接收天线不划分子阵，因此接收导向矢量为ar(θ)＝[1,ej βd sinθ,...,ejβ(N-1)d sinθ]T。
假设待探测目标位于方位角θs，其反射系数为αs；多个干扰分别位于方位角θi，其反射系数为αi。则N×1阶接收信号矢量可写为
其中，
和分别为Hadamard积与Kronecker积符号。
将接收权矢量记为w，则STM-MIMO雷达的收发波束形成为
从式(7)、式(8)可以看到，本专利所提出的STM-MIMO雷达，可以同时获得相干处理增益(对应at(θ)项)和波形分集增益(对应b(θ)项)。而传统的相控阵雷达只有相干处理增益，没有波形分集增益；标准的MIMO雷达只有波形分集增益，没有相干处理增益。STM-MIMO雷达在相控阵与MIMO雷达做了折衷。
此外，STM-MIMO雷达的上行波束赋形权矢量由高速射频开关的周期性时间调制产生(对应A项)。时间调制为STM-MIMO雷达的波束形成提供了更大的灵活性，所设计的单向相位运动中心时序，可以产生多普勒频移效应，将阵列天线的副瓣移至雷达系统的通带范围之外，实现雷达通带范围内的低副瓣电平。较低的最大副瓣电平能够抵抗干扰，而较低的平均副瓣电平是降低副瓣区杂波的有效手段。因此，本专利提出的STM-MIMO雷达集合了相控阵、MIMO、时间调制等技术的诸多优势，在目标探测时的自适应波束形成中具有良好的性能。
附图说明
图1为包含16个单元STM-MIMO天线阵的结构示意图。图中从上到下依次是：(1)天线单元；(2)功分网络；(3)射频开关；(4)复杂可编程逻辑器件(CPLD)控制板；(5)信号源。
图2为干噪比固定为-30分贝信噪比固定为-10分贝情况下，STM-MIMO雷达输出信干噪比与子阵数目的关系曲线图。可见，在强噪声环境下，STM-MIMO雷达的输出信干噪比随子阵数目增加而减小。
图3为干噪比固定为30分贝信噪比固定为-10分贝情况下，STM-MIMO雷达输出信干噪比与子阵数目的关系曲线图。可见，在强干扰环境下，子阵数目划分过多或过少都会导致STM-MIMO雷达的输出信干噪比较低；子阵数目适中时STM-MIMO雷达的输出信干噪比最大，但是会有波动，这是因为干扰可能位于副瓣区的峰值处或谷值处。
图4为STM-MIMO雷达的非自适应收发总方向图及其与MIMO和相控阵雷达的对比。可见，按具体实施例研制的STM-MIMO雷达具有良好的方向图特性(较低的最大副瓣电平与平均副瓣电平)。
图5为STM-MIMO雷达的非自适应输出信干噪比及其与MIMO和相控阵雷达的对比。可见，按具体实施例研制的STM-MIMO雷达具有较高的输出信干噪比。
图6为STM-MIMO雷达的自适应收发总方向图及其与MIMO和相控阵雷达的对比。可见，按具体实施例研制的STM-MIMO雷达具有良好的方向图特性(较低的最大副瓣电平与平均副瓣电平)，并且能准确消除所有干扰。
图7为STM-MIMO雷达的自适应输出信干噪比及其与MIMO和相控阵雷达的对比。可见，按具体实施例研制的STM-MIMO雷达具有较高的输出信干噪比。
图8为STM-MIMO雷达具体实施例各单元的工作时序。可见，该时序能使天线阵具有运动的相位中心。
具体实施方案
实施例由16个均匀排布的发射天线与16个均匀排布的接收天线组成，单元间距为半个波长。图1给出了发射天线阵的结构示意图。发射天线被划分为8个重叠的子阵，相邻子阵最大程度地重叠，以增加每个子阵的孔径。这样，每个子阵包含9个天线单元，相邻子阵间有8个共用单元。每个子阵端连接一个射频开关，射频开关周期性的通断对天线阵施以时间调制。时间调制后的信号通过功分器分流到子阵内各单元。8个子阵发射8个相互正交的波形。
本专利采用单向运动相位中心时序对发射天线进行周期性调制。图8给出了这种时序的具体形式。在任意时刻，有且仅有一个子阵(9个单元)被导通，即有且仅有一种波形被发射。在一个调制周期内，8个子阵依次被导通，8个相互正交的波形依次被发射。时序函数的加载是通过复杂可编程逻辑器件(CPLD)实现的。
自适应波束形成器被使用，以改善STM-MIMO雷达的收发方向图特性。本实施例采用最小方差无失真响应(minimum variance distortionless response,MVDR)波束形成器。MVDR是一种基于最大信干噪比准则的自适应波束形成算法，可以自适应地使阵列输出在期望方向上功率最小同时信干噪比最大，能有效抑制干扰和噪声。在同时存在零均值白噪声与多个干扰的情况下，发射天线(子阵化时间调制阵)发射多个正交波形，接收天线针对目标所处的干扰与噪声环境进行自适应加权，接收到的快拍信号经匹配滤波后可以滤出每个波形。
这种基于重叠子阵化的MIMO天线，可以同时获得相干处理增益与波形分集增益，集合了常规MIMO与相控阵的优势。同时，时间调制能精细灵活地调控波束特性，使得方向图具有更低的最大副瓣电平与更低的平均副瓣电平。图4，图5，图6，图7所示的结果证实了本发明所提出的STM-MIMO雷达技术的优越性能。
前面已经描述本发明的一个具体实施例，应该理解这只是以一种示例形式被提出，并无限制性。因此，在不脱离本发明精神和范围的情况下可以作出多种形式上和细节上的变更，这对于熟悉本技术领域的技术人员是显而易见的，无需创造性劳动。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。

Claims (2)

1.一种基于子阵化四维天线阵的MIMO雷达装置，它包括半波长间距排布的天线单元构成的发射天线阵，且整个发射天线阵被划分为若干个MIMO雷达子阵；每个MIMO雷达子阵端连接高速射频调制开关，信号源分别产生相互正交的波形输入各个子阵，复杂可编程逻辑器件根据设定的时序控制高速射频调制开关的通断。
2.根据权利要求1所述的一种基于子阵化四维天线阵的MIMO雷达装置，其特征还在于所述的MIMO雷达子阵端利用高速射频调制开关的周期性通断来综合天线方向图，同时抑制MIMO阵列在自适应波束形成的最大副瓣电平与平均副瓣电平。
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