CN113376589A - 基于扩展巴克码子阵划分的时间分集阵发射信号设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于雷达信号处理技术领域，具体公开了一种基于扩展巴克码子阵划分的时间分集阵发射信号设计方法，对基本的巴克码元进行扩展得到扩展Barker码；根据时间分集发射信号模型，在每个子阵之间的信号引入时间延迟△t，基于扩展Barker码，对每个子阵的信号编码；得到扩展Barker码的时间分集阵发射信号。本发明通过对时间分集阵进行子阵划分，可以减少累加项，从而达到减少计算量的目的，同时通过对发射信号使用扩展Barker码进行编码，可以提高时间分集阵的距离分辨率。

Description

基于扩展巴克码子阵划分的时间分集阵发射信号设计方法

技术领域

本发明涉及阵列雷达信号处理技术领域，尤其涉及一种基于扩展巴克码子阵划分的时间分集阵发射信号设计方法，用于提高距离分辨率。

背景技术

由于现代战争模式在逐步向信息化战争转变，雷达所面临的工作环境和任务需求日益复杂。机械扫描雷达与相控阵雷达都是采用单一的发射波形，将发射的能量集中在空域中的某些特定的方向。由于发射波形的固定，它们并不能随着环境与目标信息的改变而主动通过优化发射波形来改善雷达的探测性能。

MIMO雷达不同于传统的多通道雷达，其对各个发射阵元的雷达发射波形分别进行设计，在接收端结合匹配算法，可以将各发射阵元的信号在接收端分离出来。由于发射分集技术所带来的自由度的扩展，使得MIMO雷达具有更强的适应环境的能力，回波中也会包含更多、更全的目标信息。

传统集中式MIMO雷达一般发射相互正交的波形，然而现有技术实现完全正交的波形是几乎不可能的，只能够实现伪正交波形，由于各路波形并非完全正交，导致全向发射方向图中各个方向上的增益不会完全一致，存在着一定波动。目前正交波形和部分相关波形大多以相位编码信号为基础，而相位编码信号的多普勒容性较差，在需要探测的目标为高速目标时会导致雷达性能下降。为了解决现有集中式MIMO雷达的缺陷，新型发射分集MIMO雷达近年来层出不穷。

时间分集阵作为一种特殊的相干多输入多输出雷达体制其采用单一波形作为发射波形，通过时域延迟、频域等效加权效应，可以实现全向的发射方向图。其发射方向图各方向上能量波动小、系统结构简单。但时间分集阵的全向空域覆盖能力是以牺牲距离分辨率为代价，其在一定程度上限制了时间分集阵雷达的探测性能。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于扩展巴克码子阵划分的时间分集阵发射信号设计方法，可以在提高时间分集阵距离分辨率的同时提高其在单位脉冲时间内的空域覆盖范围。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

基于扩展巴克码子阵划分的时间分集阵发射信号设计方法，包括以下步骤：

步骤1，设时间分集阵有M个发射阵元，M个发射阵元被分成K个子阵，每个子阵中均有N，N≤M个阵元，每个阵元发射相同的波形；M、K、N分别为正数；

步骤2，根据子阵划分，对基本Barker码进行扩展，得到扩展的Barker码；

步骤3，对每个子阵内的阵元引入时间延迟Δt，并采用扩展的Barker码对每个阵元的发射信号进行编码，得到每个子阵的发射信号波形；Δt为常数；

步骤4，将K个子阵的发射信号波形在空间进行相干叠加，得到时间分集阵的总的发射信号。

进一步地，所述根据子阵划分，对基本Barker码进行扩展，具体为：

选取N位的Barker码为基本码组，然后将其作为M位Barker码的一个码元，得到M*N位的扩展Barker码。

进一步地，在每个子阵内的阵元引入时间延迟Δt时，每个子阵的发射信号波形为：

其中，

为第k个子阵内的第m_k个阵元对应的编码系数，k为子阵编号，t为时间，

为线性调频信号。

进一步地，所述对每个子阵内的阵元间引入时间延迟Δt可以替换为：对不同子阵之间的发射信号引入时延Δt。

更进一步地，在不同子阵之间的发射信号引入时间延迟Δt时，每个子阵的发射信号波形为：

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的方法通过对时间分集阵进行子阵划分，可以减少累加项，从而达到减少计算量的目的，同时通过对发射信号使用扩展Barker码进行编码，可以提高时间分集阵的距离分辨率。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明的实现流程图；

图2(a)是在本发明实施例在阵元间距d＝λ/2，20位扩展Barker码对应的距离-角度模糊函数图；

图2(b)是在本发明实施例提供的在阵元间距d＝λ/2的时间分集阵对应的距离-角度模糊函数图；

图2(c)是在本发明实施例在阵元间距d＝λ/2，使用20位扩展Barker码编码与不使用编码对应的距离维剖面对比图；

图3(a)是在本发明实施例使用扩展Barker码在子阵内发射信号引入时延对应的距离-角度模糊函数图；

图3(b)是在本发明实施例使用扩展Barker码在子阵间发射信号引入时延对应的距离-角度模糊函数图；

图3(c)是在本发明实施例在子阵内发射信号引入时延且使用20位扩展Barker码编码与不使用编码对应的距离维剖面对比图；

图3(d)是在本发明实施例在子阵间发射信号引入时延且使用20位扩展Barker码编码与不使用编码对应的距离维剖面对比图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。

参考图1，本发明提供的一种基于扩展巴克码子阵划分的时间分集阵发射信号设计方法，包括以下步骤：

步骤1，设时间分集阵有M个发射阵元，M个发射阵元被分成K个子阵，每个子阵中均有N，N≤M个阵元，每个阵元发射相同的波形；M、K、N分别为正数。

步骤2，根据子阵划分，对基本Barker码进行扩展，得到扩展的Barker码；

选取N位的Barker码为基本码组，然后将其作为M位Barker码的一个码元，得到M*N位的扩展Barker码。

步骤3，对每个子阵内的阵元引入时间延迟Δt，并采用扩展的Barker码对每个阵元的发射信号进行编码，得到每个子阵的发射信号波形；Δt为常数；

根据时间分集阵发射信号模型，对子阵列内的每个阵元引入一个时间延迟Δt，并且对每个阵元加入编码，得到第k个子阵发射信号的波形为：

其中，

为第k个子阵内的第m_k个阵元对应的编码系数，k为子阵编号，，t为时间，

为线性调频信号。

本发明的另一种实施例，在不同子阵之间的发射信号引入时延Δt，则第k个子阵发射的信号波形为：

步骤4，将K个子阵的发射信号波形在空间进行相干叠加，得到时间分集阵的发射合信号。

(1)对于同一子阵内的发射信号引入时延差Δt的情况，时间分集阵的发射合信号表达式为：

(2)对于不同子阵之间的发射信号引入时延差Δt的情况，时间分集阵的发射合信号表达式为：

进一步分析本发明设计的发射信号的距离分辨率。

在子阵内引入时间延迟Δt时，其多维模糊函数表达式为：

其中，K为子阵个数，N为子阵中阵元个数，

为发射阵列第k个子阵内的第m_k个阵元对应的编码系数，k为发射阵列的子阵编号，

为接收阵列第l个子阵内的第m_l个阵元对应的编码系数，l为接收阵列的子阵编号，θ为目标方向，θ₀为波束形成方向，τ为目标与雷达之间的接收信号时延，s_T(t，θ₀)为雷达发射信号，s_T(t-τ，θ)为雷达接收信号。

在不同子阵间的发射信号引入时间延时Δt时，基于扩展Barker码子阵划分的多维模糊函数表达式为：

以上公式中，χ(τ，θ，θ₀)是目标角度θ、波束形成角度θ₀、时延τ的函数，为了分析距离分辨率特性，因此这里考虑距离-角度模糊函数：

为距离-角度(Range-angle)模糊函数图，当波束形成方向θ₀＝0°时，时间分集阵距离和角度之间的关系图，其在θ角度上的剖面反映了时间分集阵在θ方向上的距离分辨率，距离旁瓣电平等距离维特性。

分析扩展Barker码的距离维特性：通过距离-角度模糊函数图和距离维切片图可以得到扩展Barker码子阵划分信号模型的距离分辨率、距离旁瓣电平等距离维特性。

仿真实验

通过仿真实验来进一步说明本发明方法在提高距离分辨率上的效果。

为了表明本实施例的性能，用基于扩展Barker子阵划分的时间分集阵和传统时间分集阵的距离-角度模糊函数和距离切片进行仿真对比，对比的性能指标是距离分辨率。

1、参数设置：将时间分集阵列分为5个子阵，每个非重叠的子阵均包含4个阵元，其余仿真参数如表1所示，其中在距离-角度模糊函数仿真图中，设置波束形成方向θ₀＝0°。

表1时间分集阵子阵划分多维模糊函数仿真参数表

参数	数值	参数	数值
				阵元数	20	载频	1GHz
波长	0.3m	带宽	20MHz
				时延	0.1us	时宽带宽积	200
脉冲持续时间	10us	采样率	40MHz

2、结果分析

基于扩展Barker子阵划分的时间分集阵和基本时间分集阵的距离-角度模糊函数图和距离维切片如图2(a)-2(c)所示，通过对时间分集阵距离-角度模糊函数图进行分析，可以看到基于扩展Barker子阵划分的时间分集阵的主瓣宽度小于传统的时间分集阵，说明其距离分辨率高于传统的时间分集阵。

基于扩展Barker子阵划分的时间分集阵在不同布阵方式下距离-角度模糊函数图和距离维切片如图3(a)-3(d)所示，通过对时间分集阵距离维切片进行分析，从主瓣宽度、距离分辨率方面来看，通过在子阵内引入时间延迟的布阵方式优于在子阵间引入时间延迟的布阵方式。

综上，通过仿真实验验证了本发明的正确性、有效性和可靠性。

虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.基于扩展巴克码子阵划分的时间分集阵发射信号设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，设时间分集阵有M个发射阵元，M个发射阵元被分成K个子阵，每个子阵中均有N，N≤M个阵元，每个阵元发射相同的波形；M、K、N分别为正数；

步骤2，根据子阵划分，对基本Barker码进行扩展，得到扩展的Barker码；

步骤3，对每个子阵内的阵元引入时间延迟Δt，并采用扩展的Barker码对每个阵元的发射信号进行编码，得到每个子阵的发射信号波形；Δt为常数；

步骤4，将K个子阵的发射信号波形在空间进行相干叠加，得到时间分集阵的总的发射信号。

2.根据权利要求1所述的基于扩展巴克码子阵划分的时间分集阵发射信号设计方法，其特征在于，所述根据子阵划分，对基本Barker码进行扩展，具体为：

选取N位的Barker码为基本码组，然后将其作为M位Barker码的一个码元，得到M*N位的扩展Barker码。

3.根据权利要求1所述的基于扩展巴克码子阵划分的时间分集阵发射信号设计方法，其特征在于，步骤3中，在每个子阵内的阵元引入时间延迟Δt时，每个子阵的发射信号波形为：

其中，

为第k个子阵内的第m_k个阵元对应的编码系数，k为子阵编号，，t为时间，

为线性调频信号。

4.根据权利要求3所述的基于扩展巴克码子阵划分的时间分集阵发射信号设计方法，其特征在于，步骤3中，所述对每个子阵内的阵元间引入时间延迟Δt替换为：对不同子阵之间的发射信号引入时延Δt。

5.根据权利要求4所述的基于扩展巴克码子阵划分的时间分集阵发射信号设计方法，其特征在于，在不同子阵之间的发射信号引入时间延迟Δt时，每个子阵的发射信号波形为：

其中，k为子阵编号。

6.根据权利要求3所述的基于扩展巴克码子阵划分的时间分集阵发射信号设计方法，其特征在于，步骤4中，对于同一子阵内的发射信号引入时延差Δt的情况，时间分集阵的发射合信号表达式为：

其中，K为子阵个数，N为每个子阵中阵元个数，d表示阵元间距，λ表示发射信号波长，m_k表示子阵中的阵元编号，k为子阵编号，θ₀为波束形成方向。

7.根据权利要求5所述的基于扩展巴克码子阵划分的时间分集阵发射信号设计方法，其特征在于，步骤4中，对于不同子阵之间的发射信号引入时延差Δt的情况，时间分集阵的发射合信号表达式为：

其中，K为子阵个数，N为每个子阵中阵元个数，d表示阵元间距，λ表示发射信号波长，m_k表示子阵中的阵元编号，k为子阵编号。

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