CN112731333A - 运动平台下mimo系统发射方向图的设计方法 - Google Patents

Abstract

运动平台下MIMO系统发射方向图的设计方法，解决了现有MIMO发射方向图设计技术应用于运动平台下的MIMO系统时，将导致系统空域性能大大下降，无法完成探测与跟踪任务的问题，属于MIMO系统的应用技术领域。本发明适用于发射阵列为线阵的MIMO系统，且发射阵列中有N个阵元，包括：S1、各发射天线在K个不同时刻的发射信号b_n(k)补偿平台运动导致的多普勒频移；对位于阵列孔径中心左右两侧的阵元，根据与目标的位置关系的不同，采用不同的补偿形式；S2、根据b_n(k)获取协方差矩阵W(l)；S3、根据W(l)得到其在l＝0时的值；S4、获取运动平台下MIMO系统的阵列导向向量d(θ)；S5、根据W(0)以及d(θ)，得到适用于平台运动情况的MIMO系统发射方向图。

Description

运动平台下MIMO系统发射方向图的设计方法

技术领域

本发明涉及运动平台下MIMO系统发射方向图的一种设计方法，属于MIMO系统的应用技术领域。

背景技术

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output,多输入-多输出)系统是新兴的电子系统。与传统的相控阵系统相比其具有更高的系统自由度及更高的空间分辨率，从而可实现更好的搜索-检测-跟踪性能。

已有的MIMO系统技术中很少考虑平台运动的影响，即忽略多普勒效应。但实际应用中，很多情况下MIMO系统安装于运动平台上，平台运动导致的多普勒效应使系统性能下降,特别是对系统的空域特性即发射方向图产生很大影响,导致发射方向图产生严重畸变，使目标探测与跟踪性能严重下降。

目前对运动平台下MIMO系统发射方向图的设计还没有有效的方法。现有的MIMO发射方向图设计技术如应用于运动平台下的MIMO系统,将导致空域性能大大下降,无法完成探测与跟踪任务。

发明内容

针对现有MIMO发射方向图设计技术应用于运动平台下的MIMO系统,将导致空域性能大大下降，无法完成探测与跟踪任务的问题，本发明提供一种运动平台下MIMO系统发射方向图的设计方法。

本发明是一种运动平台下MIMO系统发射方向图的设计方法，所述方法适用于发射阵列为线阵的MIMO系统，且发射阵列中有N个阵元，N为偶数，所述方法包括：

S1、MIMO系统在平台运动的情况下,各阵元均在K个不同的时刻发射信号，第n个阵元在第k个时刻的发射信号为：

其中，1≤n≤N，1≤k≤K，且h(n)为

其中，v为平台运动速度在阵列孔径方向的投影，R₀为阵列孔径中心与目标的距离，α为阵列孔径中心与目标的连线和阵列孔径方向的夹角，C为光速，f₀为工作频率，d为阵元间距且各阵元间距均相同；

S2、根据S1的发射信号b_n(k)获取其协方差矩阵W(l)，其中0≤l≤L-1；

S3、根据协方差矩阵W(l)得到其在l＝0时的值，即W(0)；

S4、获取运动平台下MIMO系统的阵列导向向量d(θ)；

S5、根据W(0)以及阵列导向向量d(θ)，得到运动平台下MIMO系统的发射方向图。

作为优选，所述S2中，协方差矩阵W(l)的第i行第j列个元素为w_ij(l)，其中0≤l≤L-1，且：

其中,1≤i≤N，1≤j≤N，

和

分别为阵列中第i个阵元和第j个阵元在K个时刻发射信号的均值，即：

作为优选，所述S4中，

d(θ)＝a·e^{j2πdsinθ/λ}[e^{-j2πdsinθ/λ},e^{-j2πdsin(θ-γ)/λ},……,e^{-j2πd(N-1)sin(θ-γ)/λ}]^T 公式三

其中，a＝e^{j2πΔRcosβ/λ}，λ为发射信号波长；目标位于Q点，MIMO系统运动前位于P₀点，运动后位于P₁点，直线P₀Q与法线方向的夹角为θ，P₀与P₁两点间的距离为ΔR，直线P₀Q与直线P₀P₁间的夹角为β，直线P₀Q与直线P₁Q间的夹角为γ,T为向量转置运算。

作为优选，所述S5中，运动平台下MIMO系统的发射方向图为：

g(θ)＝d^T(θ)W(0)d^*(θ) 公式四

其中，*表示向量共轭转置运算，T为向量转置运算。

本发明的有益效果：本发明使MIMO系统发射方向图不受平台运动的影响，在平台运动的情况下仍保持良好的空域特性；与常规的的不进行运动的MIMO系统相比,没有性能损失。

附图说明

图1为MIMO系统的发射阵列结构示意图；

图2为MIMO系统平台运动示意图；

图3为MIMO系统导向向量的几何关系示意图；

图4为本发明方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

MIMO系统安装于平台上，平台运动导致系统性能下降，本实施方式的运动平台下MIMO系统发射方向图的设计方法使MIMO系统发射方向图不受平台运动的影响，在平台运动情况下仍保持良好的空域特性；与MIMO系统不运动的情况相比,没有性能损失；本实施方式包括如下步骤：

步骤一、本实施方式的MIMO系统的发射阵列为线阵，阵列结构如图1所示。其中,设阵列中有N个阵元，N为偶数，各阵元间距均为d，确定K个不同的时刻的发射信号：

其中，1≤n≤N，1≤k≤K，且分别针对阵列孔径中心的左右两侧的阵元，即第1≤n≤N/2个阵元和第N/2+1≤n≤N个阵元进行建模，根据平台运动导致的阵列中心左侧和右侧阵元的多普勒频移的不同，则h(n)为

其中，v为平台运动速度在阵列孔径方向的投影，R₀为阵列孔径中心与目标的距离，α为阵列孔径中心与目标的连线和阵列孔径方向的夹角，如图2所示，C为光速，f₀为工作频率；

h(n)表示平台运动导致的多普勒频移，因为阵列孔径中心左右两侧的发射阵元相对于目标的位置关系不同，导致多普勒频移的形式不同；h(n)用于弥补MIMO系统平台运动效应的影响，平台运动效应示意图如图2所示；

步骤二、根据步骤一的发射信号b_n(k)获取协方差矩阵W(l)，其中0≤l≤L-1；

协方差矩阵W(l)的第i行第j列个元素为w_ij(l)，则：

其中,1≤i≤N，1≤j≤N，

和

分别为阵列中第i个阵元和第j个阵元的发射信号的均值，且

步骤三、根据协方差矩阵W(l)得到其在l＝0时的值，即W(0)；其中,W(0)为运动平台下的N×N维的发射信号协方差矩阵W(l)在l＝0时的值；

步骤四、获取运动MIMO系统的阵列导向向量d(θ)；

设目标位于Q点，平台运动前位于P₀点，运动后位于P₁点，P₀与P₁两点间的距离为ΔR。设直线P₀Q与直线P₀P₁间的夹角为β，直线P₀Q与法线方向的夹角为θ，直线P₀Q与直线P₁Q间的夹角为γ。运动平台下的阵列导向向量d(θ)为：

式中，a＝e^{j2πΔRcosβ/λ}，其中ΔR与β的定义如图3所示；θ与γ的定义如图3所示；且λ为发射信号波长,^T为向量转置运算。

本实施方式的阵列导向向量d(θ)中设置了系数a，其也是考虑了平台运动的多普勒效应，弥补平台运动过程中产生的多普勒效应对MIMO系统空域性能的影响。

步骤五、根据W(0)以及阵列导向向量d(θ)，得到平台运动下的MIMO系统的发射方向图。

g(θ)＝d^T(θ)W(0)d^*(θ) 公式4

其中,W(0)为运动平台下的N×N维的发射信号协方差矩阵W(l)在l＝0时的值；d(θ)为运动平台下的阵列导向向量，由式3得到；^*表示向量共轭转置运算，^T为向量转置运算。

本实施方式使MIMO系统发射方向图不受平台运动效应的影响，在平台运动情况下仍保持良好的空域特性；与MIMO系统不运动的情况相比,没有性能损失。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (4)

1.运动平台下MIMO系统发射方向图的设计方法，其特征在于，所述方法适用于发射阵列为线阵的MIMO系统，且发射阵列中有N个阵元，N为偶数，所述方法包括：

S1、MIMO系统在平台运动的情况下,各阵元均在K个不同的时刻发射信号，第n个阵元在第k个时刻的发射信号为：

其中，1≤n≤N，1≤k≤K，且h(n)为

其中，v为平台运动速度在阵列孔径方向的投影，R₀为阵列孔径中心与目标的距离，α为阵列孔径中心与目标的连线和阵列孔径方向的夹角，C为光速，f₀为工作频率，d为阵元间距且各阵元间距均相同；

S2、根据S1的发射信号b_n(k)获取其协方差矩阵W(l)，其中0≤l≤L-1；

S3、根据协方差矩阵W(l)得到其在l＝0时的值，即W(0)；

S4、获取运动平台下MIMO系统的阵列导向向量d(θ)；

S5、根据W(0)以及阵列导向向量d(θ)，得到运动平台下MIMO系统的发射方向图。

2.根据权利要求1所述的运动平台下MIMO系统发射方向图的设计方法，其特征在于，所述S2中，协方差矩阵W(l)的第i行第j列个元素为w_ij(l)，其中0≤l≤L-1，且：

其中,1≤i≤N，1≤j≤N，

和

分别为阵列中第i个阵元和第j个阵元在K个时刻发射信号的均值，即：

3.根据权利要求1所述的运动平台下MIMO系统发射方向图的设计方法，其特征在于，所述S4中，

d(θ)＝a·e^{j2πdsinθ/λ}[e^{-j2πdsinθ/λ},e^{-j2πdsin(θ-γ)/λ},……,e^{-j2πd(N-1)sin(θ-γ)/λ}]^T 公式三

其中，a＝e^{j2πΔRcosβ/λ}，λ为发射信号波长；目标位于Q点，MIMO系统运动前位于P₀点，运动后位于P₁点，直线P₀Q与法线方向的夹角为θ，P₀与P₁两点间的距离为ΔR，直线P₀Q与直线P₀P₁间的夹角为γ，直线P₀Q与直线P₁Q间的夹角为β,^T为向量转置运算。

4.根据权利要求1所述的运动平台下MIMO系统发射方向图的设计方法，其特征在于，所述S5中，运动平台下MIMO系统的发射方向图为：

g(θ)＝d^T(θ)W(0)d^*(θ) 公式四

其中，^*表示向量共轭转置运算，^T为向量转置运算。

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