CN113253211A - 多输入多输出雷达系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及多输入多输出雷达系统。一种用于调度MIMO(多输入多输出)中的传输的两步优化方法，包括：根据第一等式确定每个传输的第一相位编码，将每个第一相位编码放置在第一相位编码的集合中，并确定第一相位编码的集合的成本函数，根据第二等式确定每个传输的第二相位编码，确定与利用第二相位编码中的对应的第二相位编码替换第一相位编码中的每一个第一相位编码相对应的经更新的成本函数，并确定哪个相位编码的集合具有较小的成本函数。

Description

多输入多输出雷达系统
技术领域
本公开总体上涉及相位编码的调频连续波(FMCW)多输入多输出(MIMO)雷达，并且更具体地涉及用于该雷达的两步编码生成。
背景技术
多输入多输出(MIMO)雷达是一种类型的相控阵雷达，并且采用跨孔径分布的(多个)数字接收机和(多个)波形生成器。MIMO雷达信号的传播类似于多基地雷达。然而，替代将雷达元件分布在整个监视区域，这些天线被紧密地定位以获得更好的空间分辨率、多普勒分辨率、和动态范围。MIMO雷达还可用于获得低截获概率雷达特性。为了改进MIMO雷达系统，系统被设计具有用于支持从多根天线同时传输的正交信号。
用于设计基于正交信号的系统的现有方法将随机偏移应用于常规的线性频率调制(LFM)信号以用于调频连续波MIMO雷达操作。一些物理系统无法支持此类随机偏移，或者在实现此类系统时是次优的。
发明内容
在一个示例中，一种多输入多输出(MIMO)雷达系统包括：多个天线，每个天线包括以并置配置布置的至少一个发射机和至少一个接收机；控制器，包括存储用于指令的非暂态存储器，该指令用于使控制器经由以下操作来调度来自多个天线的传输：根据第一等式确定每个传输的第一相位编码、将每个第一相位编码放置在第一相位编码的集合中、并且确定第一相位编码的集合的成本函数，以及根据第二等式确定每个传输的第二相位编码、确定与利用第二相位编码中的对应的第二相位编码替换第一相位编码中的每一个第一相位编码相对应的经更新的成本函数、并确定哪个相位编码的集合具有较小的成本函数。
在上述MIMO雷达系统的另一个示例中，每个传输的第一相位编码是仅考虑到已被确定的相位编码而确定的。
在上述MIMO雷达系统中任一项的另一示例中，相位编码的第一集合的成本函数是经由等式1确定的。
在上述MIMO雷达系统中任一项的另一示例中，每个传输的第二相位编码是考虑到与多个天线中的所有发射机相对应的相位编码而确定的。
在上述MIMO雷达系统中任一项的另一示例中，每个传输的第二相位编码是经由等式2确定的。
在上述MIMO雷达系统中任一项的另一示例中，相位编码的第一集合中的每个相位编码是二进制相移键控调制(BPSK)相位编码。
在上述MIMO雷达系统中任一项的另一示例中，相位编码的第二集合中的每个相位编码是二进制相位调制(BPM)相位编码。
在一个示例中，一种用于调度传输的两步优化方法，包括：根据第一等式确定每个传输的第一相位编码、将每个第一相位编码放置在第一相位编码的集合中、并确定第一相位编码的集合的成本函数，根据第二等式确定每个传输的第二相位编码、确定与利用第二相位编码中的对应的第二相位编码替换第一相位编码中的每一个第一相位编码相对应的经更新的成本函数、并确定哪个相位编码的集合具有较小的成本函数。
在上述两步优化方法的另一个示例中，每个传输的第一相位编码是仅考虑到已被确定的相位编码而确定的。
在上述两步优化方法中任一项的另一示例中，相位编码的第一集合的成本函数是经由等式1确定的。
在上述两步优化方法中任一项的另一示例中，每个传输的第二相位编码是考虑到与多个天线中的所有发射机相对应的相位编码而确定的。
在上述两步优化方法中任一项的另一示例中，每个传输的第二相位编码是经由等式2确定的。
在一个示例中，一种用于优化多输入多输出雷达传输的方法包括：使用第一相位编码生成过程初始化相位编码阵列，相位编码阵列包括与多个发射天线中的每个发射天线相对应的相位编码；生成相位编码阵列的成本函数；确定多个发射天线中的第一发射天线的第二相位编码并且生成利用与第一天线相对应的第二相位编码来替换与第一天线相对应的第一相位编码的经更新的成本函数，将经更新的成本函数与成本函数进行比较，并响应于经更新的成本函数小于成本函数而利用经更新的成本函数来替换成本函数；以及迭代以下步骤直到成本函数已经收敛或达到最大值：确定多个发射天线中的第一发射天线的第二相位编码并且生成利用与第一天线相对应的第二相位编码来替换与第一天线相对应的第一相位编码的经更新的成本函数，将经更新的成本函数与成本函数进行比较，并响应于经更新的成本函数小于成本函数而利用经更新的成本函数来替换成本函数。
在上述方法的另一示例中，第一成本函数是使用等式1生成的。
在上述方法中任一项的另一示例中，每个经更新的成本函数是使用等式2生成的。
在上述方法中任一项的另一示例中，使用第一相位编码生成过程初始化相位编码阵列包括迭代地生成相位编码。
在上述方法中任一项的另一示例中，每个迭代地生成的相位编码针对先前生成的相位编码进行优化，而不是针对前瞻性生成的相位编码进行优化。
在上述方法中任一项的另一示例中，相位编码阵列中的每个相位编码是二进制相移键控调制(BPSK)相位编码。
在上述方法中任一项的另一示例中，相位编码阵列中的每个相位编码是二进制相位调制(BPM)相位编码。
在上述方法中任一项的另一示例中，对相位编码阵列中的每个相位编码迭代一次以下步骤直到成本函数已经收敛或达到最大值：确定多个发射天线中的第一发射天线的第二相位编码并且生成利用与第一天线相对应的第二相位编码来替换与第一天线相对应的第一相位编码的经更新的成本函数，将经更新的成本函数与成本函数进行比较，并响应于经更新的成本函数小于成本函数而利用经更新的成本函数来替换成本函数。
从下面的说明书和附图，可以最好地理解本发明的这些和其他特征，以下是简要描述。
附图说明
图1图示出示例性多输入多输出雷达系统。
图2示意性地图示出用于图1的多输入多输出雷达系统的粒子群优化。
图3示意性地图示出图2的粒子群优化的两步优化。
具体实施方式
图1示意性地图示出示例性并置的多输入多输出(MIMO)雷达系统10。该示例性系统10包括主系统20，主系统20包括同时接收多个传输30并发出去往和来自远程天线40的多个传输32的发射机和接收机。MIMO雷达系统(诸如示例性系统10)是具有多个天线40的系统。这些天线中的每一个天线包括并置的发射组件和接收组件。每个发射天线40独立于其他发射天线40辐射任意波形。每个接收天线40可以接收来自发射天线40的信号30。由于不同的波形，回波信号可以被重新分配给单个发射机40。根据N个发射机40的天线场(其中N是发射天线40的数量)和K个接收机40的场(其中K是接收天线40的数量)，数学上得出K·N个元件的虚拟场，这些元件具有虚拟孔径的放大尺寸。虽然在示例系统10中图示为三个并发发射天线40和三个并发接收天线40，但应理解，在实际实现方式中，并发发射和接收的数量可以是显著地较大的，并且为了清楚起见，在示例系统10中图示出三个发射天线和三个接收天线。利用并置的天线40改进了发射端的自由度并且允许更多的自由度、更高的目标参数可标识性和更高的角分辨率。
为了优化天线40之间的传输，经由包括在主系统20内的控制器22将二进制相移键控调制(BPSK)或二进制相位调制(BPM)应用于每个发射机，其中控制器22包括存储用于使控制器22实现下面描述的调度过程的指令的非暂态存储器。
假设系统10具有P个传输信道，需要P个相位编码以便实现对应的优化系统。在一些系统中，直接运行相位编码优化会导致计算难度指数级的增加。当它这样做时，当前的系统可以根据实现MIMO系统10的硬件次优地执行，或者根本不执行。
为了优化相位编码，系统10使用包含相位编码的堆栈，其中该堆栈对于堆栈中的每个传输而言是N×1向量，其中N是MIMO雷达系统10中的输入的总数。一旦第一传输在堆栈上，第二传输的初始相位编码设计就被放置在堆栈上，并且这将被迭代，直到堆栈上存在P个编码。因此，在第一步中，系统10中使用的优化系统在每个相位编码被放在堆栈上时对其进行优化，而不是在每次将相位编码添加到堆栈时对整个堆栈进行优化，从而避免了指数级的计算复杂度。通过第一步生成的堆栈被称为相位编码的第一集合。
由于每一个相位编码的设计仅考虑到与堆栈中已经包括的相位编码的相互干扰，因此随着传输数量的增加，相位编码的性能会降低。为了减少性能的降级，第二优化步骤在已经生成完整的传输栈之后发生，并且考虑堆栈中传输编码中的全部。第二步骤构建相位编码的第二集合，并将相位编码的第二集合与相位编码的第一集合进行比较，以确定哪个集合具有更小的成本函数。
继续参考图1，图2图示出在示例性系统10中实现的示例性优化过程100。关于基于二进制相位调制的相位编码描述了两步MIMO编码优化过程100。本领域的技术人员可以采用该过程100来与BPSK调制一起运作。
最初，在初始化步骤110中，生成尺寸为N的BPM编码，其中N是系统10中发射天线40的数量。一旦确定了初始BPM编码，就将该编码保存为测试阵列(C测试)，并在生成C测试步骤120中确定旁瓣的电平(称为阵列成本函数)。重复初始化步骤，直到创建完整的阵列，从而得到P个传输编码。初始化步骤110和生成C测试步骤120被组合形成本公开的两步算法的第一步(步骤1)，其余部分组合以形成两步算法的第二步(步骤2)。
一旦确定了初始编码，系统100在生成新的编码步骤130中通过每次迭代改变C测试的一个值来生成N个新的编码从而来迭代C测试的生成。在生成每个新的编码之后，在比较步骤140中计算新的编码的成本函数，并与先前第N个编码的成本函数进行比较。如果经更新的编码的成本函数小于先前保存的编码的成本函数，则在替换步骤150中，将新的BPM编码保存到C测试编码中并替换旧的第N个编码。如果替代地，经更新的成本函数不小于先前的第N个编码的成本函数，则丢弃新的BPM编码，并在维持编码步骤155中维持现有的BPM编码。
在每个编码被替换或被维持之后，过程100在检查优化的步骤160中确定相位编码C测试是否已经收敛，或是否已经达到最大成本函数值。如果编码尚未收敛或达到最大成本函数值，则优化过程100返回到生成新编码步骤130，并改变下一个C测试值。如果相位编码C测试已经收敛或达到最大成本函数值，则该编码在输出步骤170中被输出为经优化的编码。
继续参考上述的一般优化程序，并在图1中图示出示例性特定优化过程的一个示例实现方式。
在第一步(步骤1)中，生成传输1、传输2、……、传输Q(其中Q是传输数)的编码c1、c2、……、cQ。为了生成堆栈的下一个编码，该算法使用粒子群算法来搜索cQ+1的编码。利用处于+1和-1处的值来对编码向量c测试初始化。该编码向量的尺寸为N乘1，其中N为编码长度。然后，运行搜索过程以最小化给定的成本函数。应注意，对于波形而言，低DC分量和小的旁瓣是期望的，并且成本函数由以下等式(1)给出。
Figure BDA0002931773610000062
在等式(1)中，w为切比雪夫窗，a为可调加权系数，DFT()为离散傅里叶变换。在该阶段，编码优化仅考虑了先前的传输，所以随着Q的增加，编码中的每一者的性能都会降低。
为了避免降级，并且使信道的性能更加均衡，在步骤2中针对R＝2,3,...P对编码进行优化，其中经更新的成本函数以等式(2)定义。
Figure BDA0002931773610000061
继续参考图1和图2，图3图示出使用以下步骤的最终编码设计。最初，c1在初始化向量步骤210中被设置为全为1的向量。一旦被初始化，使用等式1中针对Q＝1,2,...,P-1定义的成本函数应用图2的优化过程，并在第一成本函数生成步骤220中随机地初始化编码。一旦编码中的全部都被初始化，则优化过程的步骤2被操作。在步骤2中，在第二成本函数生成步骤230中，根据等式2针对R＝2，3，...，P确定经更新的成本函数，其中R是编码优化的信道的索引。一旦根据等式2确定了经更新的成本函数，则执行(图2所示的)比较步骤140，并根据步骤150、155保存或不保存最终结果。最后，在输出步骤240、170中以优化的形式输出相位编码。
还应理解，上述概念中的任何概念可单独使用或与其他上述概念中的任一个概念或所有概念组合使用。尽管已经公开了本发明的实施例，但本领域普通技术人员将认识到某些修改将落入本发明的范围内。出于该原因，以下各权利要求将被研究以确定本发明的真实范围和内容。

Claims (20)

1.一种多输入多输出MIMO雷达系统，包括：
多个天线，每个天线包括以并置配置布置的至少一个发射机和至少一个接收机；
控制器，包括存储用于使控制器经由以下操作来调度来自多个天线的传输的指令的非暂态存储器：根据第一等式确定每个传输的第一相位编码，将每个第一相位编码放置在第一相位编码的集合中，并且确定所述第一相位编码的集合的成本函数，并根据第二等式确定每个传输的第二相位编码，确定与利用所述第二相位编码中的对应的第二相位编码替换所述第一相位编码中的每一个第一相位编码相对应的经更新的成本函数，并确定哪个相位编码的集合具有较小的成本函数。
2.如权利要求1所述的MIMO雷达系统，其特征在于，每个传输的所述第一相位编码是仅考虑到已被确定的相位编码而确定的。
3.如权利要求2所述的MIMO雷达系统，其特征在于，相位编码的第一集合的所述成本函数是经由等式1确定的。
4.如权利要求1所述的MIMO雷达系统，其特征在于，每个传输的所述第二相位编码是考虑到与所述多个天线中的所有发射机相对应的相位编码而确定的。
5.如权利要求4所述的MIMO雷达系统，其特征在于，每个传输的所述第二相位编码是经由等式2确定的。
6.如权利要求1所述的MIMO雷达系统，其特征在于，相位编码的所述第一集合中的每个相位编码是二进制相移键控调制(BPSK)相位编码。
7.如权利要求1所述的MIMO雷达系统，其特征在于，相位编码的第二集合中的每个相位编码是二进制相位调制(BPM)相位编码。
8.一种用于调度传输的两步优化方法，包括：
根据第一等式确定每个传输的第一相位编码；
将每个第一相位编码放置在第一相位编码的集合中，并确定所述第一相位编码的集合的成本函数；
根据第二等式确定每个传输的第二相位编码；
确定与利用所述第二相位编码中的对应的第二相位编码替换所述第一相位编码中的每一个第一相位编码相对应的经更新的成本函数；以及
确定哪个相位编码的集合具有较小的成本函数。
9.如权利要求8所述的两步优化方法，其特征在于，每个传输的所述第一相位编码是仅考虑到已被确定的相位编码而确定的。
10.如权利要求9所述的两步优化方法，其特征在于，相位编码的第一集合的所述成本函数是经由等式1确定的。
11.如权利要求8所述的两步优化方法，其特征在于，每个传输的所述第二相位编码是考虑到与多个天线中的所有发射机相对应的相位编码而确定的。
12.如权利要求11所述的两步优化方法，其特征在于，每个传输的所述第二相位编码是经由等式2确定的。
13.一种用于优化多输入多输出雷达传输的方法，包括：
使用第一相位编码生成过程来初始化相位编码阵列，所述相位编码阵列包括与多个发射天线中的每个发射天线相对应的相位编码；
生成所述相位编码阵列的成本函数；
确定所述多个发射天线中的第一发射天线的第二相位编码并且生成利用与第一天线相对应的第二相位编码来替换与所述第一天线相对应的第一相位编码的经更新的成本函数，将所述经更新的成本函数与所述成本函数进行比较，并响应于所述经更新的成本函数小于所述成本函数而利用所述经更新的成本函数来替换所述成本函数；以及
迭代以下步骤直到所述成本函数已经收敛或达到最大值：确定所述多个发射天线中的所述第一发射天线的所述第二相位编码并且生成利用与所述第一天线相对应的所述第二相位编码来替换与所述第一天线相对应的所述第一相位编码的经更新的成本函数，将所述经更新的成本函数与所述成本函数进行比较，并响应于所述经更新的成本函数小于所述成本函数而利用所述经更新的成本函数来替换所述成本函数。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第一成本函数是使用等式1生成的。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，每个经更新的成本函数是使用等式2生成的。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，使用所述第一相位编码生成过程来初始化所述相位编码阵列包括迭代地生成相位编码。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，每个迭代地生成的相位编码针对先前生成的相位编码进行优化，而不是针对前瞻性生成的相位编码进行优化。
18.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述相位编码阵列中的每个相位编码是二进制相移键控调制(BPSK)相位编码。
19.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述相位编码阵列中的每个相位编码是二进制相位调制(BPM)相位编码。
20.如权利要求13所述的方法，其特征在于，对所述相位编码阵列中的每个相位编码迭代一次以下步骤直到所述成本函数已经收敛或达到最大值：确定所述多个发射天线中的所述第一发射天线的所述第二相位编码并且生成利用与所述第一天线相对应的所述第二相位编码来替换与所述第一天线相对应的所述第一相位编码的经更新的成本函数，将所述经更新的成本函数与所述成本函数进行比较，并响应于所述经更新的成本函数小于所述成本函数而利用所述经更新的成本函数来替换所述成本函数。
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