CN110632559A - 一种基于应用特征的mimo脉冲雷达波形设计与优化方法 - Google Patents
一种基于应用特征的mimo脉冲雷达波形设计与优化方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110632559A CN110632559A CN201910875757.8A CN201910875757A CN110632559A CN 110632559 A CN110632559 A CN 110632559A CN 201910875757 A CN201910875757 A CN 201910875757A CN 110632559 A CN110632559 A CN 110632559A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- waveform
- transmitting
- mimo
- pulse
- radar
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于应用特征的MIMO脉冲雷达波形设计与优化方法,包括如下步骤:(1)设MIMO雷达发射波形为脉冲信号,并在每一个脉冲间的不同发射波形上添加不同的随机相位,得到N*M的随机相位矩阵H,其中N为MIMO雷达的发射天线个数,M为发射波形的脉冲数;(2)在对目标回波信号进行处理之后,画出波形模糊图,从中提取多个维度,建立一个评价波形设计优劣的综合指标F;(3)以步骤(1)中的随机相位矩阵H为自变量,步骤(2)中的综合评价指标F为因变量,通过模式搜索法检索出使F在每一个初值区间范围内取得最小值的H,并把H代入发射波形中,得到优化后的发射波形。本发明对所有指标信息都进行了优化,相较于其他优化算法较为简单易行。
Description
技术领域
本发明涉及雷达信号处理技术领域,尤其是一种基于应用特征的MIMO脉冲雷达波形设计与优化方法。
背景技术
MIMO雷达操作的关键因素是多个正交波形可以同时使用。获得正交波形的最简单方法是时分多址(TDMA),但不适合于操作要求高PRF的方案;多普勒多址(DDMA)MIMO波形只能应用于低频雷达(例如,HF雷达)或用于短程检测的雷达。由于不存在具有良好的自动和互相关特性的理想正交码序列,所以CDMA MIMO波形能近似地满足正交性要求。
由于CDMA波形设计方法的测量精度有限,因此需要在在原始波形的基础上进行优化。主要通过构造合适的代价函数,使用合适的优化算法来得到最优的信号波形。在构造代价函数方面,YANG Y在文献“MIMO radar waveform design basedon mutual informationand minimum meansquare error estimation”利用信息论的方法,通过回波的互信息以及最小均方误差准则对波形进行优化,金明在文献“基于遗传算法的类零相关多相码设计”提出零相关区域的概念,它关心该区域内的旁瓣,忽略区域外的旁瓣,使得临近距离单元回波间的干扰得到有效的消除。
在优化算法方面,DENG H在文献“Polyphase code design for orthogonalnetted radar systems”提出利用模拟退火算法设计正交多相码信号,得到了比较低的自相关旁瓣,LIU B在文献“Polyphase orthogonal code design for MIMO radar systems”用遗传算法来设计正交多相码,降低了发射信号的自相关旁瓣峰和互相关峰,王伟在文献“基于混合算法的MIMO雷达正交多相码设计”用遗传禁忌混合算法进行优化,使得自相关旁瓣峰值和互相关峰进一步降低。但目前的技术和优化算法缺乏对应用特征的优化,导致应用特征效果并不理想。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于,提供一种基于应用特征的MIMO脉冲雷达波形设计与优化方法,对所有指标信息都进行了有效的优化,相较于其他优化算法较为简单易行。
为解决上述技术问题,本发明提供一种基于应用特征的MIMO脉冲雷达波形设计与优化方法,包括如下步骤:
(1)设MIMO雷达发射波形为脉冲信号,并在每一个脉冲间的不同发射波形上添加不同的随机相位,得到N*M的随机相位矩阵H,其中N为MIMO雷达的发射天线个数,M为发射波形的脉冲数;
(2)在对目标回波信号进行处理之后,画出波形模糊图,从中提取多个维度,建立一个评价波形设计优劣的综合指标F;
(3)以步骤(1)中的随机相位矩阵H为自变量,步骤(2)中的综合评价指标F为因变量,通过模式搜索法检索出使F在每一个初值区间范围内取得最小值的H,并把H代入发射波形中,得到优化后的发射波形。
优选的,步骤(2)中,多个维度为距离维、速度维、方位角和俯仰角。
优选的,步骤(2)中,综合指标F以多个维度信息的主瓣宽度、主瓣增益以及主副瓣比多项参数做为基本指标;
Fi=l1δx+l2δv+l3δa+…
其中,δ为每项指标实际测量值与理论值的差,li为每项指标的加权值。
优选的,步骤(2)中,确保雷达在波束可扫描范围内对所有角度的设计都得到优化,对多维空间内所有分辨单元遍历一次,把所有分辨单元的评价指标求和即为所需要的综合评价指标;
F越小,则表示实际测量值与理论值的差距越小,即波形越符合设计要求。
优选的,步骤(3)中,给定一个随机初始相位的上下限、循环次数,在每一个循环内给定一个随机初值相位,同时设定优化的终止条件,即函数最大评价次数、最大迭代次数以及终止容限;通过模式搜索法寻找一系列的点X0,X1,X2,…,这些点都越来越靠近最优值点,当搜索进行到终止条件时则将最后一个点作为本次搜索的解,即最优随机相位序列。
本发明的有益效果为:(1)以多维模糊图为设计准则,提取总系统增益、主副瓣比、主瓣宽度等全面的指标信息,并对所有指标信息都进行了有效的优化;(2)对空间内所有目标点都进行了优化;(3)采用模式搜索法进行优化,无需进行求导运算,相较于其他优化算法较为简单易行。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图。
图2为本发明波形距离-速度模糊函数示意图。
图3为本发明波形距离-角度模糊函数示意图。
图4为本发明波形速度-角度模糊函数示意图。
图5为本发明的目标距离增益示意图。
图6为本发明的目标速度增益示意图。
图7为本发明的目标角度增益示意图。
具体实施方式
如图1所示,一种基于应用特征的MIMO脉冲雷达波形设计与优化方法,包括如下步骤:
步骤1、设MIMO雷达发射波形为脉冲信号,并在每一个脉冲间的不同发射波形上添加不同的随机相位,得到N*M的随机相位矩阵H,其中N为MIMO雷达的发射天线个数,M为发射波形的脉冲数。
步骤2、在对目标回波信号进行处理之后,画出波形模糊图,从中提取多个维度,如距离维、速度维、方位角和俯仰角等信息,建立一个评价波形设计优劣的综合指标F,并以多个维度信息的主瓣宽度、主瓣增益以及主副瓣比等多项参数做为基本指标。
Fi=l1δx+l2δv+l3δa+…
其中,δ为每项指标实际测量值与理论值的差,li为每项指标的加权值。
另外,为了确保雷达在波束可扫描范围内对所有角度的设计都得到优化,因此根据实际测量范围需要,对多维空间内所有分辨单元遍历一次,把所有分辨单元的评价指标求和即为所需要的综合评价指标。
可以看出,F越小,则表示实际测量值与理论值的差距越小,即波形越符合设计要求。
步骤3、以步骤1中的随机相位矩阵H为自变量,综合评价指标F为因变量,通过模式搜索法检索出使F在每一个初值区间范围内取得最小值的H,并把H代入发射波形中,得到优化后的发射波形。
给定一个随机初始相位的上下限、循环次数,在每一个循环内给定一个随机初值相位,同时设定优化的终止条件,即函数最大评价次数、最大迭代次数以及终止容限等。通过模式搜索法寻找一系列的点X0,X1,X2,…,这些点都越来越靠近最优值点,当搜索进行到终止条件时则将最后一个点作为本次搜索的解,即最优随机相位序列。
具体步骤如下:
第一步:设置初始随机相位矩阵Q0,Δ0>0,k=0,ε>0;
第二步:在第k迭代步时,确定满足以下两个条件的步长sk:
(1)sk∈ΔkPk≡Δk[BΓk BLk]
(2)若min{F(Hk+y),y∈ΔkBΓk}<F(Hk),则F(Hk+sk)<F(Hk)
其中,B为基矩阵,在每一步迭代中是不变的。Ck为生成矩阵,记为:
Ck=[Mk -Mk Lk]=[Гk Lk]
并且:
Pk=BCk
Mk是由整数元构成的n阶非奇异方阵的集合,Lk至少包含一零向量列,模式搜索法的搜索方向一般取Pk的某一列。
令:
ρk=F(Hk)-F(Hk+sk)
第三步:如果ρk>0,那么Hk+1=Hk+sk,否则Hk+1=Hk。
第四步:如果Δk<ε和‖sk‖<ε都满足,则算法终止。
第五步:更新Ck,Δk,k=k+1,转第二步。
其中Ck的更新应满足:
Ck=[Mk -Mk Lk]=[Γk Lk]
说明:Δk的更新规则为:
ω0<0,ω1,…,ωL≥0
如果ρk≤0,那么Δk+1=θΔk,否则Δk+1=λΔk。由θ,λ的形式可知,0<θ<1,λ≥1。其中θ是个分数,也是个有理数。
本发明可通过仿真进一步说明:
基于上述对算法的描述,针对MIMO体制的脉冲雷达进行波形设计的仿真。雷达发射波形在每一个脉冲内的每一个发射信号上添加不同的初始相位,通过信号处理流程的各种算法,得到目标数据的三维数据信息,从目标数据的三维数据信息可以提取出三个二维数据组并画出对应的模糊图。图2、图3和图4给出了目标的距离-速度模糊图、距离-角度模糊图和速度-角度模糊图。
从模糊图中可以提取出目标总的系统增益、主副瓣比和主瓣宽度等信息。以理论值与提取出的实际值做差值并取绝对值作为评价指标,并将波束扫描范围内所有角度都考虑在内,得到总的评价指标。可以看出,总的评价指标越小,则表示测量实际值与理想值的差距越小,即波形越符合设计要求。
并用优化工具箱求出总的评价指标在不同的初始相位的条件下的最小值,将对应最小值的初始相位序列输出即为所求。优化出的序列与随机生成的序列进行对比结果由图5、图6、图7给出。可以明显发现系统增益提高了,副瓣略有降低,主瓣宽度略有变窄。
Claims (5)
1.一种基于应用特征的MIMO脉冲雷达波形设计与优化方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)设MIMO雷达发射波形为脉冲信号,并在每一个脉冲间的不同发射波形上添加不同的随机相位,得到N*M的随机相位矩阵H,其中N为MIMO雷达的发射天线个数,M为发射波形的脉冲数;
(2)在对目标回波信号进行处理之后,画出波形模糊图,从中提取多个维度,建立一个评价波形设计优劣的综合指标F;
(3)以步骤(1)中的随机相位矩阵H为自变量,步骤(2)中的综合评价指标F为因变量,通过模式搜索法检索出使F在每一个初值区间范围内取得最小值的H,并把H代入发射波形中,得到优化后的发射波形。
2.如权利要求1所述的基于应用特征的MIMO脉冲雷达波形设计与优化方法,其特征在于,步骤(2)中,多个维度为距离维、速度维、方位角和俯仰角。
3.如权利要求1所述的基于应用特征的MIMO脉冲雷达波形设计与优化方法,其特征在于,步骤(2)中,综合指标F以多个维度信息的主瓣宽度、主瓣增益以及主副瓣比多项参数做为基本指标;
Fi=l1δx+l2δv+l3δa+…
其中,δ为每项指标实际测量值与理论值的差,li为每项指标的加权值。
5.如权利要求1所述的基于应用特征的MIMO脉冲雷达波形设计与优化方法,其特征在于,步骤(3)中,给定一个随机初始相位的上下限、循环次数,在每一个循环内给定一个随机初值相位,同时设定优化的终止条件,即函数最大评价次数、最大迭代次数以及终止容限;通过模式搜索法寻找一系列的点X0,X1,X2,…,这些点都越来越靠近最优值点,当搜索进行到终止条件时则将最后一个点作为本次搜索的解,即最优随机相位序列。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201910875757.8A CN110632559B (zh) | 2019-09-17 | 2019-09-17 | 一种基于应用特征的mimo脉冲雷达波形设计与优化方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201910875757.8A CN110632559B (zh) | 2019-09-17 | 2019-09-17 | 一种基于应用特征的mimo脉冲雷达波形设计与优化方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN110632559A true CN110632559A (zh) | 2019-12-31 |
CN110632559B CN110632559B (zh) | 2023-01-31 |
Family
ID=68970925
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201910875757.8A Active CN110632559B (zh) | 2019-09-17 | 2019-09-17 | 一种基于应用特征的mimo脉冲雷达波形设计与优化方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN110632559B (zh) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111665502A (zh) * | 2020-06-29 | 2020-09-15 | 石家庄铁道大学 | 基于mode算法的mimo雷达稀疏阵列优化方法 |
CN111880171A (zh) * | 2020-07-07 | 2020-11-03 | 西安电子科技大学 | 一种消除雷达目标盲速的脉冲分段编码方法 |
CN111965611A (zh) * | 2020-07-07 | 2020-11-20 | 西安电子科技大学 | 一种相位抖动ddma波形的构建方法 |
US20230288533A1 (en) * | 2022-03-09 | 2023-09-14 | Nxp B.V. | Radar with phase lag compensation |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103592642A (zh) * | 2013-10-22 | 2014-02-19 | 西安电子科技大学 | Mimo雷达波形的设计方法 |
CN106597386A (zh) * | 2016-08-01 | 2017-04-26 | 哈尔滨工业大学(威海) | 一种离散频率调频斜率的正交编码波形及其设计方法 |
CN107831471A (zh) * | 2017-10-20 | 2018-03-23 | 西安电子科技大学 | 约束最大距离跨骑损失的雷达波形设计方法 |
-
2019
- 2019-09-17 CN CN201910875757.8A patent/CN110632559B/zh active Active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103592642A (zh) * | 2013-10-22 | 2014-02-19 | 西安电子科技大学 | Mimo雷达波形的设计方法 |
CN106597386A (zh) * | 2016-08-01 | 2017-04-26 | 哈尔滨工业大学(威海) | 一种离散频率调频斜率的正交编码波形及其设计方法 |
CN107831471A (zh) * | 2017-10-20 | 2018-03-23 | 西安电子科技大学 | 约束最大距离跨骑损失的雷达波形设计方法 |
Non-Patent Citations (7)
Title |
---|
AWAIS KHAWAR等: "MIMO radar waveform design for coexistence with cellular systems", 《2014 IEEE INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON DYNAMIC SPECTRUM ACCESS NETWORKS》 * |
SHUANGLING WANG等: "Waveform design for detection in MIMO over-the-horizon radar", 《2014 IEEE RADAR CONFERENCE》 * |
兰星等: "认知MIMO雷达波形设计研究", 《火力与指挥控制》 * |
刘韵佛等: "基于高分辨距离像的MIMO雷达波形设计", 《系统工程与电子技术》 * |
常广弘等: "MIMO高频地波雷达典型正交波形性能评价", 《中国海洋大学学报(自然科学版)》 * |
董千里等: "基于速度滤波的杂波抑制步进频率波形设计研究", 《上海航天》 * |
薛永华等: "MIMO天波雷达非连续谱正交相位编码波形设计", 《信号处理》 * |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111665502A (zh) * | 2020-06-29 | 2020-09-15 | 石家庄铁道大学 | 基于mode算法的mimo雷达稀疏阵列优化方法 |
CN111880171A (zh) * | 2020-07-07 | 2020-11-03 | 西安电子科技大学 | 一种消除雷达目标盲速的脉冲分段编码方法 |
CN111965611A (zh) * | 2020-07-07 | 2020-11-20 | 西安电子科技大学 | 一种相位抖动ddma波形的构建方法 |
CN111880171B (zh) * | 2020-07-07 | 2023-09-05 | 西安电子科技大学 | 一种消除雷达目标盲速的脉冲分段编码方法 |
CN111965611B (zh) * | 2020-07-07 | 2024-02-06 | 西安电子科技大学 | 一种相位抖动ddma波形的构建方法 |
US20230288533A1 (en) * | 2022-03-09 | 2023-09-14 | Nxp B.V. | Radar with phase lag compensation |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN110632559B (zh) | 2023-01-31 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN110632559B (zh) | 一种基于应用特征的mimo脉冲雷达波形设计与优化方法 | |
CN110412514B (zh) | 一种mimo体制下的线性调频连续波波形优化方法 | |
CN103901417B (zh) | L型阵列mimo雷达低复杂度空间目标二维角度估计方法 | |
CN103018730B (zh) | 分布式子阵波达方向估计方法 | |
CN107092004A (zh) | 基于信号子空间旋转不变性的互质阵列波达方向估计方法 | |
CN111812597B (zh) | 基于低相关性空时二维随机方向图干扰抑制方法 | |
CN104020440B (zh) | 基于l型干涉式线性阵列的二维波达角估计方法 | |
Jin et al. | A novel long-time coherent integration algorithm for Doppler-ambiguous radar maneuvering target detection | |
CN106772337A (zh) | 一种基于music算法的频率分集阵列两层介质目标定位方法 | |
CN107658573B (zh) | 一种基于量子搜寻者搜索机制的圆环阵方向图综合方法 | |
CN104931923A (zh) | Grid Iterative ESPRIT,一种可扩展的用于均匀圆阵二维到达角的快速估计算法 | |
Zhao et al. | A sparse representation-based DOA estimation algorithm with separable observation model | |
CN111193679B (zh) | 一种基于互质阵列系统的信道估计方法及系统 | |
CN105182292A (zh) | 一种基于模式搜索算法的多波形相位编码方法 | |
CN113671485A (zh) | 基于admm的米波面阵雷达二维doa估计方法 | |
CN109343004A (zh) | 提高平面相控阵天线波束指向精度的迭代馈相计算方法 | |
CN111175694B (zh) | 基于副瓣对消系数的干扰源测向方法 | |
CN113093111B (zh) | 基于压缩感知和遗传算法的均匀圆阵解调二维相干信号方法及系统 | |
CN113671477B (zh) | 一种基于图信号处理的雷达目标距离估计方法 | |
CN114839606A (zh) | 稀疏频率编码抗干扰波形信号的相干积累方法 | |
Ma et al. | Computation-efficient 2-D DOA estimation algorithm with array motion strategy | |
CN106154245A (zh) | 基于等效阵列方向图的集中式mimo雷达阵列设计方法 | |
CN112710983A (zh) | 基于乘性张量波束扫描的电磁矢量互质面阵多维参数估计方法 | |
CN108226929B (zh) | 一种正侧视sar慢速目标的检测方法及检测系统 | |
CN110907888A (zh) | 一种基于波束形成的快速极化-doa估计方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |