CN111913153A - 基于子阵结构的mimo雷达快速多波束形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于子阵结构的MIMO雷达快速多波束形成方法，包括：将MIMO雷达阵列均匀的划分为M个子阵单元；将空域范围划分为若干角度区间，并设计每个角度区间对应的子阵发射方向图，以得到空域范围的发射方向图库；从发射方向图库中筛选出与每个目标对应的子阵发射方向图，并将其赋值给该目标对应的子阵单元，进行综合处理后得到全阵列的发射方向图；优化全阵列的发射方向图的初始相位，得到全阵列的发射波形。与现有的设计相比，本发明提供的方法大大降低了发射方向图设计的复杂度，大幅度降低了雷达系统成本和时间成本，且可以根据目标信息的改变动态的分配雷达资源。
Description
技术领域
本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种基于子阵结构的MIMO雷达快速多波束形成方法。
背景技术
随着雷达技术的发展，雷达多任务、高信噪比的性能指标使得雷达阵列需要成百上千的阵元来合成发射方向图。而超大规模阵列通常包含上万个阵元，如果采用MIMO(multiple input multiple output，多进多出)体制的话，每个发射阵元需要一个单独的发射通道，成本极高。此外，雷达发射波形优化的复杂度非常高，实时优化难度很大。研究表明，通过采用一定规模的子阵级MIMO方式，不仅可以大幅降低雷达系统成本，还可以显著降低发射波形优化自由度，是一种理想的实现方式。
目前，现有的子阵式多波束方向图合成的发射方向图波束主瓣能量均等，这导致雷达系统的能量分配的效率不高，从而影响雷达对目标的检测或跟踪性能的下降；同时，子阵的划分也可能产生栅瓣和栅零点问题。此外，在干扰场景下，MIMO雷达还需要对目标进行合理的资源分配，以获得最大的资源利用率。
罗涛的论文《基于SDP的发射方向图设计方法与稳健波束形成研究[D].西安电子科技大学，2014》中为了使合成方向图尽量逼近理想方向图，考虑以极小化两者的误差为准则建立数学模型来设计发射方向图。张旭红等人的文献《平面数字阵列雷达的子阵级波束形成算法[J].雷达科学与技术，2018.12》中，提及基于幅度加权的平面阵列下的子阵发射方向图设计的基础上，保证各子阵噪声功率相等，设计的发射方向图接近最优的全阵列干扰抑制性能。Haupt的文献《Optimized weighting of uniform subarrays of unequalsizes[J].IEEE Trasactions on Antennas and Propagation,2007,42(3):92-100》中考虑子阵的加权值设计和阵列结构的GA优化，合成的方向图整体性能较好。Zhang Q等人在文献《Joint beamforming and antenna subarray formation for non-regenerative MIMOrelay networks[J].IEEE Trasactions on Vehicular Technology,2016,65(3):1825-1830》中采用交替算法优化阵列结构和发射波束权值，完成多波束发射方向图设计。虽然上述现有算法具有较好的优化解，但是针对超大规模MIMO雷达阵列而言，其优化难度和计算复杂度依然很大，系统耗时较高，且不能实时在线的设计多波束发射方向图，限制了MIMO雷达的应用场景。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于子阵结构的MIMO雷达快速多波束形成方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种基于子阵结构的MIMO雷达快速多波束形成方法，包括：
将MIMO雷达阵列均匀的划分为M个子阵单元；
将空域范围划分为若干角度区间，并设计每个所述角度区间对应的子阵发射方向图，以得到所述空域范围的发射方向图库；
从所述发射方向图库中筛选出与每个目标对应的子阵发射方向图，并将其赋值给该目标对应的子阵单元，进行综合处理后得到全阵列的发射方向图；
优化所述全阵列的发射方向图的初始相位，得到全阵列的发射波形。
在本发明的一个实施例中，所述发射方向图的表达式为：
其中，
表示指向目标的导向向量，θk表示第k个目标的俯仰角，
表示第k个目标的方位角，S表示该子阵的发射波形，
表示第k个目标方向处的发射功率，
表示空间其他方向上的发射功率。
在本发明的一个实施例中，从所述发射方向图库中筛选出与每个目标对应的子阵发射方向图，并将其赋值给该目标对应的子阵单元，进行综合处理后得到全阵列的发射方向图，包括：
从所述发射方向图库中筛选出与每个目标对应的子阵发射方向图；
根据每个目标的信息将所述M个子阵单元按照一定比例分配给各个目标；
将所述每个目标对应的子阵发射方向图赋值给该目标对应的子阵单元，得到该目标的发射方向图；
对所有目标的发射方向图进行综合，得到全阵列的发射方向图。
在本发明的一个实施例中，根据每个目标的信息将所述M个子阵单元按照一定比例分配给各个目标，包括：
根据每个目标的情况，得到当前时刻该目标所需的能量资源分配值；
根据所述能量资源分配值计算每个目标所需的子阵单元数目；
按照所述每个目标所需的子阵单元数目将相应的子阵单元分配给各个目标。
在本发明的一个实施例中，所述每个目标所需的子阵单元数目的计算公式为：
其中，Li表示第i个目标所需的子阵单元数目，M表示个子阵单元总个数，pi表示第i个目标的能量资源分配值，K表示目标总个数。
在本发明的一个实施例中，优化所述全阵列的发射方向图的初始相位，得到全阵列的发射波形，包括：
采用代价函数对所述全阵列的发射方向图的初始相位进行优化，以得到全阵列的发射波形。
在本发明的一个实施例中，所述代价函数的表达式为：
其中，p表示待优化的初始相位，si、sj分别表示第i个目标方向的回波和第j个目标方向的回波，yi,j(d)表示第i个目标方向的回波和第j个目标方向的回波在第d个码元时刻之间的相关性，D表示信号的码元数目，xcorr(si,sj)表示求si和sj的自相关函数，K表示目标总个数。
本发明的有益效果：
1、本发明提供的基于子阵结构的MIMO雷达快速多波束形成方法，通过提前设计发射方向图，然后根据目标的角度方向选择对应的子阵发射方向图，并快速综合出全阵列发射方向图，与现有的超大规模MIMO系统的多波束发射方向图设计方法相比，大大降低了发射方向图设计的复杂度，大幅度降低了雷达系统成本和时间成本，且可以根据目标信息的改变动态的分配雷达资源，满足实时性的需求；
2、本发明结合MIMO雷达阵列的初始相位设计，在满足实时性的条件下，对初始相位进行优化，改善了各个目标处空间合成信号的自相关峰值旁瓣电平和互相关峰值电平，进一步提升了各个目标的检测和跟踪性能。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于子阵结构的MIMO雷达快速多波束形成方法流程示意图；
图2是本发明实施例提供的另一种基于子阵结构的MIMO雷达快速多波束形成方法流程示意图；
图3是本发明实施例提供的直角坐标系下单个目标方向示意图；
图4a-4d是本发明实施例提供的四个子阵的发射方向图；
图5是本发明实施例提供的全阵列的发射方向图；
图6a-6b是本发明实施例提供的空间合成信号的相关函数图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于子阵结构的MIMO雷达快速多波束形成方法流程示意图，包括：
步骤1：将MIMO雷达阵列均匀的划分为M个子阵单元。
具体地，将包含N个阵元的MIMO雷达阵列划分为M个子阵，每个子阵所包含的阵元数目为Z＝N/M；
步骤2：将空域范围划分为若干角度区间，并设计每个角度区间对应的子阵发射方向图，以得到空域范围的发射方向图库。
请参见图2，图2是本发明实施例提供的另一种基于子阵结构的MIMO雷达快速多波束形成方法流程示意图。
具体地，将空间区域划分为L个角度区间，也即L个指向单元，每个角度区间对应一个俯仰角和一个方位角。
进一步地，对于包含M个子阵单元的雷达阵列进行子阵发射方向图设计，每个方向图均有一个单一的空间指向，对应空域的L个角度区间，因此设计的发射方向图总共有L个。
在本实施例中，发射方向图的表达式为：
其中，
表示指向目标的导向向量，θk表示第k个目标的俯仰角，
表示第k个目标的方位角，S表示该子阵的发射波形，
表示第k个目标方向处的发射功率，
表示空间其他方向上的发射功率。
请参见图3，图3是本发明实施例提供的直角坐标系下单个目标方向示意图；其中，坐标原点(0，0，0)为MIMO雷达阵列的参考点，观察点P表示所观察的目标，θ为目标的俯仰角，其表示目标点P与参考原点连线到xoy平面的夹角，
表示目标的方位角，表示目标点P在xoy平面投影与x轴的夹角，αx、αy、αz分别表示目标点P与参考原点连线与坐标轴x、y、z的夹角，d1、d2分别表示阵元的行、列间距。
进一步地，将L个角度区间对应的L个子阵发射方向图的数据保存在本地，形成发射方向图库，以便后续查找调用。
步骤3：从发射方向图库中筛选出与每个目标对应的子阵发射方向图，并将其赋值给该目标对应的子阵单元，进行综合处理后得到全阵列的发射方向图，具体包括：
31)从发射方向图库中筛选出与每个目标对应的子阵发射方向图。
在本实施例中，设目标的总个数为K个，根据K个目标所对应的角度信息，从发射方向图库中筛选出K个发射方向图对应的数据。
32)根据每个目标的信息将M个子阵单元按照一定比例分配给各个目标。
首先，根据每个目标的情况，得到当前时刻该目标所需的能量资源分配值。在本实施例中，各目标所需能量系数比为：p1:p2:…:pk，其中，pi表示第i个目标的能量资源分配值，i＝1,…,K。
然后，根据所述能量资源分配值计算每个目标所需的子阵单元数目，计算公式为：
其中，Li表示第i个目标所需的子阵单元数目，M表示个子阵单元总个数，pi表示第i个目标的能量资源分配值，K表示目标总个数。
最后，按照所述每个目标所需的子阵单元数目将相应的子阵单元分配给各个目标。
33)将每个目标对应的子阵发射方向图赋值给该目标对应的子阵单元，得到该目标的发射方向图。
具体地，将每个目标对应的子阵发射方向图复制到每个目标对应的若干子阵单元，也即对指向同一个目标的多个子阵单元赋予相同的发射方向图数据，得到该目标的发射方向图。
34)对所有目标的发射方向图进行综合，得到全阵列的发射方向图。
步骤4：优化所述全阵列的发射方向图的初始相位，得到全阵列的发射波形。
由于对于发射方向图而，改变初始相位并不会改变MIMO雷达阵列发射方向图，但可以改善各个目标方向回波的自相关和互相关性能。因此，本实施例通过优化的全阵列的发射方向图的初始相位，降低目标回波的自相关旁瓣电平以及降低各目标回波间的峰值旁瓣电平，以进一步提升各个目标的检测和跟踪性能。
具体地，本实施例通过代价函数对全阵列的发射方向图的初始相位进行优化。，其中，代价函数的表达式为：
其中，p表示待优化的初始相位，si、sj分别表示第i个目标方向的回波和第j个目标方向的回波，yi,j(d)表示第i个目标方向的回波和第j个目标方向的回波在第d个码元时刻之间的相关性，D表示信号的码元数目，xcorr(si,sj)表示求si和sj的自相关函数，K表示目标总个数。
本实施例通过提前设计发射方向图，然后根据目标的角度方向选择对应的子阵发射方向图，并快速综合出全阵列发射方向图，与现有的超大规模MIMO系统的多波束发射方向图设计方法相比，大大降低了发射方向图设计的复杂度，而且大幅度降低雷达系统成本和时间成本。
进一步地，由于每个时刻的目标状态信息是变化的，因此，可根据每个时刻目标信息的改变动态的分配雷达能量资源和初始相位优化，形成动态的雷达资源管理，满足了超大规模MIMO雷达阵列的多波束方向图综合实时设计需求。
实施例二
本实施例在上述实施例一的基础上，对根据目标状态的子阵分配、子阵波束设计、全阵列的发射方向图综合、发射信号的初相设计进行详细描述。下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步的说明。
1、仿真实验条件：
本次仿真实验的硬件测试平台为：处理器为CPU Xeon E5-2643，主频为3.4GHz，内存64GB；软件平台为：Matlab2019a，64位操作系统。
2、仿真内容及仿真结果分析：
本实施例提供的仿真实验MIMO雷达和目标在直角坐标系下，阵列中心位置位于[0°，0°]，总共有256个阵元，划分子阵个数为4个，每个子阵包含的阵元数目为64个，阵元间距为半波长，总共有三个目标，各个目标的俯仰角度分别为[-35°，0°，48°]，方位角度分别为[-37°，55°，0°]，各个目标分配的能量比例为[1/6，1/6，4/6]。
本实施例提供的仿真实验中使用的发射方向图中，发射波形的码长为128，俯仰角和方位角的角度间隔均为1°，根据目标的能量分配比例，确定四个子阵的归属。请参见图4a-4d，图4a-4d是本发明实施例提供的四个子阵的发射方向图，其中，图4a表示对应第一个目标的子阵发射方向图，俯仰角和方位角分别为[-35°，-37°]，图4b表示对应第二个目标的子阵发射方向图，俯仰角和方位角分别为[0°，55°]，图4c和图4d均表示第三个目标所对应的子阵发射方向图，俯仰角和方位角分别为[48°，0°]。
请参见图5，图5是本发明实施例提供的全阵列的发射方向图；根据各波束主瓣发射能量系数比确定第一个子阵波束指向为[-35°，-37°]，第二个子阵波束指向为[0°，55°]，其余子阵波束指向为[48°，0°]，第一个和第二个波束主瓣的实际增益比为1.0084:1，第二个和第三个波束主瓣的增益比为1:3.9532，均接近理论比值，每个子阵形成的单波束主瓣增益均符合理论值，而合成的发射方向图是由各子阵的单波束发射方向图叠加形成的，因此其主瓣和旁瓣由各子阵的主瓣和旁瓣共同决定。
请参见图6a-6b，图6a-6b是本发明实施例提供的空间合成信号的相关函数图；其中，图6a为全阵列信号在各目标方向处的空间合成信号的自相关函数图，图6b为全阵列信号在各目标方向处的空间合成信号的互相关函数图。仿真实验图表明信号的自相关峰值旁瓣电平约-16.16dB，互相关峰值电平约为-16.26dB，分布较平坦，为了获得更好的相关特性，亦应用序列二次规划等其他算法进一步优化发射信号的相位。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于子阵结构的MIMO雷达快速多波束形成方法，其特征在于，包括：
将MIMO雷达阵列均匀的划分为M个子阵单元；
将空域范围划分为若干角度区间，并设计每个所述角度区间对应的子阵发射方向图，以得到所述空域范围的发射方向图库；
从所述发射方向图库中筛选出与每个目标对应的子阵发射方向图，并将其赋值给该目标对应的子阵单元，进行综合处理后得到全阵列的发射方向图；
优化所述全阵列的发射方向图的初始相位，得到全阵列的发射波形。
2.根据权利要求1所述的MIMO雷达快速多波束形成方法，其特征在于，所述发射方向图的表达式为：
其中，
表示指向目标的导向向量，θk表示第k个目标的俯仰角，
表示第k个目标的方位角，S表示该子阵的发射波形，
表示第k个目标方向处的发射功率，
表示空间其他方向上的发射功率。
3.根据权利要求1所述的MIMO雷达快速多波束形成方法，其特征在于，从所述发射方向图库中筛选出与每个目标对应的子阵发射方向图，并将其赋值给该目标对应的子阵单元，进行综合处理后得到全阵列的发射方向图，包括：
从所述发射方向图库中筛选出与每个目标对应的子阵发射方向图；
根据每个目标的信息将所述M个子阵单元按照一定比例分配给各个目标；
将所述每个目标对应的子阵发射方向图赋值给该目标对应的子阵单元，得到该目标的发射方向图；
对所有目标的发射方向图进行综合，得到全阵列的发射方向图。
4.根据权利要求3所述的MIMO雷达快速多波束形成方法，其特征在于，根据每个目标的信息将所述M个子阵单元按照一定比例分配给各个目标，包括：
根据每个目标的情况，得到当前时刻该目标所需的能量资源分配值；
根据所述能量资源分配值计算每个目标所需的子阵单元数目；
按照所述每个目标所需的子阵单元数目将相应的子阵单元分配给各个目标。
5.根据权利要求4所述的MIMO雷达快速多波束形成方法，其特征在于，所述每个目标所需的子阵单元数目的计算公式为：
其中，Li表示第i个目标所需的子阵单元数目，M表示个子阵单元总个数，pi表示第i个目标的能量资源分配值，K表示目标总个数。
6.根据权利要求1所述的MIMO雷达快速多波束形成方法，其特征在于，优化所述全阵列的发射方向图的初始相位，得到全阵列的发射波形，包括：
采用代价函数对所述全阵列的发射方向图的初始相位进行优化，以得到全阵列的发射波形。
7.根据权利要求6所述的MIMO雷达快速多波束形成方法，其特征在于，所述代价函数的表达式为：
其中，p表示待优化的初始相位，si、sj分别表示第i个目标方向的回波和第j个目标方向的回波，yi,j(d)表示第i个目标方向的回波和第j个目标方向的回波在第d个码元时刻之间的相关性，D表示信号的码元数目，xcorr(si,sj)表示求si和sj的自相关函数，K表示目标总个数。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 邹佳龙;姚元;王建明;: "相控阵MIMO雷达最佳子阵数目估算方法", 电子测量技术, no. 01, pages 71 - 74 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111913153B (zh) | 2023-12-26 |
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Legal Events
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