CN113572509A - 基于时间调制阵列的mimo雷达系统及波束形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时间调制阵列的MIMO雷达系统及波束形成方法，该系统包括所述发射机和接收机，发射机包括N个阵元组成的发射阵列，每个阵元对应连接第一单刀单掷射频开关，每个第一单刀单掷射频开关接入数据传输的CDMA信号发射通道；所述接收机包括M个阵元组成的接收阵列，每个阵元对应连接第二单刀单掷射频开关，所述开关接解交织器输入端，将接收的码元信息进行解交织，得到CDMA信号流，解交织器输出端和低噪放输入端连接，低噪放输出端与带通滤波器输入端连接，输出谐波信号。所述系统充分发挥MIMO系统的优势，阵元数目较少，通过射频开关可以快捷地实现控制波束形成，具有体积小、便捷性高等优势。

Description

基于时间调制阵列的MIMO雷达系统及波束形成方法

技术领域

本发明属于雷达系统及信号处理领域，具体涉及一种基于时间调制阵列的MIMO雷达系统及波束形成方法。

背景技术

MIMO(multiple input multiple output)雷达是一种通过多天线发射和接收回波信号的雷达体制。相比于普通数字阵列雷达，MIMO雷达用更少的天线可以检测更多的目标。

时间调制阵列(Time-modulated array,TMA)采用射频开关代替移相器，通过控制时间开关序列改变波束的相位和幅度，通过优化时间序列即可实现低旁瓣的波束方向图。相比于相控阵，时间调制阵列的系统结构更为简单，因此目前被大量研究。

目前基于时间调制阵列的MIMO雷达目前还处于理论研究阶段，相关研究目前主要集中在发射波束形成以及方向图优化上。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于时间调制阵列的MIMO雷达系统及波束形成方法，所述系统可以快捷地实现控制波束形成，有效提升波束转向的灵活性，具有体积小、便捷性高的优点。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于时间调制阵列的MIMO雷达系统，包括发射机和接收机，所述发射机包括N个阵元组成的发射阵列和第一单刀单掷射频开关，每个阵元对应连接第一单刀单掷射频开关，每个第一单刀单掷射频开关接入用于数据传输的CDMA信号发射通道；所述接收机包括M个阵元组成的接收阵列、第二单刀单掷射频开关、解交织器、低噪放以及带通滤波器，每个阵元对应连接第二单刀单掷射频开关，用于接收码元信息，第二单刀单掷射频开关接解交织器输入端，解交织器用于将接收的码元信息进行解交织，得到CDMA信号流，解交织器输出端和用于将信号放大的低噪放输入端连接，低噪放输出端与带通滤波器输入端连接，带通滤波器用于对信号进行带通滤波，输出谐波信号。

进一步的，所述CDMA信号发射通道的码片周期T_s满足T_s＝LT_c＝JNT_c，T_c为码元周期，符号的长度L＝JN，J为完成一次传输的符号数目，L？N。

进一步的，所述发射阵列中第n阵元的传输基带信号c(n,t)为：

式中，a_i∈{-1,+1}为用户码序列，u(t-iT_c)为矩形脉冲信号。

进一步的，所述接收阵列的接收信号Y为：

Y＝B^T(AS+N)

式中，A＝[a(θ₁),L,a(θ_k)]为方向矩阵，k为快拍数，S＝[β₁,L,β_k]^T为源信号，N为具有不相关项的加性复高斯噪声向量，B为谐波向量组成的矩阵，B具体为：

进一步的，所述发射阵列和接收阵列的等效联合阵列为：

其中，

和

为：

式中，

分别为发射机和接收机中每个第一单刀单掷射频开关和第二单刀单掷射频开关的归一化开关时间，h代表谐波的级数。

进一步的，所述发射阵列和接收阵列阵元之间的间距满足下式：

|Δτ_tn(θ_k)+Δτ_rm(θ_k)-Δτ_tn′(θ_k)-Δτ_rm′(θ_k)|＝T_c

Δτ_tn(θ)＝τ_t1(θ)-τ_tn(θ),Δτ_rm(θ)＝τ_r1(θ)-τ_rm(θ)

其中，τ_tn(θ)和τ_rm(θ)分别为相对目标发射阵列中第n阵元和接收阵列中第m阵元的延时分别，Δτ_tn(θ)和Δτ_rm(θ)分别为发射阵列中第n阵元和接收阵列中第m阵元相对第一阵元的延时，θ为目标的角度，θ_k为快拍数为k时的角度，k为快拍数。

进一步的，所述等效联合阵列的调制周期T_p满足：T_p＜T_c/MJN，F_p＞MF_s＝MJNF_c，F_p为调制频率，F_s为码片频率，F_c为码元频率。

进一步的，所述发射阵列和接收阵列的阵元个数均为2，所述谐波为+1次谐波。

一种基于所述MIMO雷达系统的波束形成方法，为联合阵列波束形成方法，包括步骤：

设定发射阵列和接收阵列每个阵元的权值以及波束指向角度；

根据权值以及波束指向角度，确定每个第一单刀单掷射频开关和第二单刀单掷射频开关的开关时间；

系统的等效联合阵列根据开关时间进行调制形成期望的波束。

进一步的，所述根据权值以及波束指向角度，确定每个第一单刀单掷射频开关和第二单刀单掷射频开关的开关时间，具体为：

所述等效联合阵列的第mn虚拟阵元的权值|w_mn|与每个第一单刀单掷射频开关和第二单刀单掷射频开关的开关时间的关系式为：

所述波束指向角度θ与每个第一单刀单掷射频开关和第二单刀单掷射频开关的开关时间的关系式为：

其中，γ为波数，d_mn为第mn个虚拟阵元的位置；

通过所述关系式求解确定开关时间。

本发明与现有技术相比，其显著效果为：

(1)本发明所述方法基于时间调制阵列，可以有效利用MIMO系统进行联合波束形成，快捷地实现控制波束形成；

(2)本发明采用码分复用方式进行信号传输，既可以保证信号在同一时刻传输，又避免了时间调制信号传输过程中可能出现的混叠；

(3)本发明基于时间调制阵列，将时间作为联合阵列波束形成的控制变量，有效提升波束转向的灵活性。

附图说明

图1是信号探测过程示意图。

图2是系统发射机结构图。

图3是系统接收机结构图。

图4是MIMO雷达等效阵列的形成过程示意图。

图5是联合阵列波束形成仿真结果图。

具体实施方式

下面将结合附图，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做出创造性劳动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。

本法明提出了一种基于时间调制阵列的MIMO雷达系统。系统的结构包括发射与接收两部分。同时，由于时间调制阵列采用射频开关进行扫描，具有调制周期，系统若采用时分复用的方式传输信号则无法保证接收阵列在同一时刻接收所有传输的信号；若采用频分复用方式传输信号则信号带宽必须小于调制频率，否则会导致频谱混叠。因此，本系统采用码分复用(Code Division Multiple Access,CDMA)方式传输信号，发射和接收阵列排布采用基于算法优化的稀疏阵列结构，进而在有限的阵元数目下得到更好的方向图性能。通过设计发射和接收阵列的阵元开关时间，从而可以控制联合收发阵列的波束相位与幅度，进而达到波束形成的目标。

下面结合附图，对本发明作进一步详细描述。

一种基于时间调制阵列的MIMO雷达系统，包括发射机和接收机，包括发射机和接收机，其特征在于，所述发射机包括N个阵元组成的发射阵列和第一单刀单掷射频开关，每个阵元对应连接第一单刀单掷射频开关，每个第一单刀单掷射频开关接入用于数据传输的CDMA信号发射通道；所述接收机包括M个阵元组成的接收阵列、第二单刀单掷射频开关、解交织器、低噪放以及带通滤波器，每个阵元对应连接第二单刀单掷射频开关，用于接收码元信息，第二单刀单掷射频开关接解交织器输入端，解交织器用于将接收的码元信息进行解交织，得到CDMA信号流，解交织器输出端和用于将信号放大的低噪放输入端连接，低噪放输出端与带通滤波器输入端连接，带通滤波器用于对信号进行带通滤波，输出谐波信号。

假设所探测的目标在远场，发射阵列中第n阵元的传输基带信号为下式：

式中，a_i∈{-1,+1}是用户码序列，u(t-iT_c)代表矩形脉冲信号，符号的宽度为T。码元周期可以表示为T_c＝T/L。在数据传输时，需要满足L？N，J为完成一次传输的符号数目，符号的长度L＝JN。

系统探测目标过程参见图1，假设远场的某个目标相对发射阵列中第n阵元和接收阵列中第m阵元的延时分别为τ_tn(θ)和τ_rm(θ)，其中θ为目标的角度，则系统的接收信号可以表示为下式

假设发射和接收阵列均以第一个阵元作为参考阵元，则发射和接收信号的延迟时间可表示为

Δτ_tn＝τ_t1-τ_tn,Δτ_rm＝τ_r1-τ_rm (3)

由上式，系统的接收信号可以表示为

其中σ代表信号的幅度项。假设阵元之间的间距很小以满足下式

|Δτ_tn(θ_k)+Δτ_rm(θ_k)-Δτ_tn′(θ_k)-Δτ_rm′(θ_k)|＝T_c (5)

Δτ_tn′(θ_k)和Δτ_rm′(θ_k)分别为发射阵列中第n′阵元和接收阵列中第m′阵元相对第一阵元的延时。

假设发射阵列和接收阵列的调制周期相同，其开关信号分别为U_n(t)和U_m(t)，可表示为：

根据傅里叶级数，式(6)和式(7)可以写为

式中，h代表谐波的级数，ω_p＝2π/T_p代表开关的调制频率，假设

分别代表发射和接收阵列的归一化开关时间，

和

分别表示发射和接收阵列的谐波因子，可表达为下式

式中，假设τ_ref(θ_k)＝τ_t1(θ_k)+τ_r1(θ_k)，由式(10)、(11)，则(4)式可写为

对于左、右子阵列，其复权值可以分别用以下两式表示：

式中：

c(t)＝[c(1,t),L,c(N,t)]^T，

[·]^T代表矩阵的转置。

假设快拍数为k，则接收信号可写为

Y＝B^T(AS+N) (13)

式中，A＝[a(θ₁),L,a(θ_k)]是方向矩阵，S＝[β₁,L,β_k]^T代表源信号，N表示具有不相关项的加性复高斯噪声向量，B代表谐波向量组成的矩阵，可写为

系统的联合收发阵列可以表示为

式中

代表克罗内克积。由上式可以看出，本系统的联合收发阵列不仅与阵列排列方式有关，还与时间调制所产生的谐波因子有关。

本系统收发阵元数目均为2，系统发射机结构图参见图2所示，包括：

天线阵列，所属天线发射阵列包括两个阵元，均采用单刀单掷射频开关，用于发射CDMA信号流；

单刀单掷射频开关每个接入CDMA信号发射通道，符号的宽度为T。码元周期可以表示为T_c＝T/L。在数据传输时，其中每个通道的码片周期满足T_s＝LT_c＝JNT_c。根据CDMA信号传输规则，须满足L？N。

参见图3为系统的接收机，包括：

天线阵列，所属天线接收阵列包括两个阵元，均采用单刀单掷射频开关，用于接收CDMA信号流；

每个单刀单掷射频开关接收信号流经过解交织器，解交织器的作用是将接收的码元信息进行解交织，得到信号流；

经过解交织器的信号进入低噪放进行信号放大；

经过低噪放的信号最终经过带通滤波器进行滤波，带通滤波器的作用是对信号进行带通滤波，从而得到谐波信号。

接收的码元信号由解交织器处理后通过低噪放，最终经过带通滤波器进行滤波，从而接收谐波信号。

在时间调制的过程中要保证联合接收阵列能接收到每一个传输的码元，就要保证调制周期小于码片周期。由公式(15)可知，联合收发阵列最多可拥有MN阵元，为确保接收信号的完整性，调制周期必须满足：T_p＜T_c/MJN，即F_p＞MF_s＝MJNF_c，F_p为调制频率，F_s为码片频率，F_c为码元频率，否则会出现漏码的情况。

MIMO雷达的等效阵列，即联合收发阵列的形成过程如图4所示，可以看出等效阵列的间距和收发阵列的阵元间距都有关系。

下面介绍基于时间调制的MIMO雷达系统波束形成的方法。首先，基于公式(15)，可以得到下式

由公式(16)可以看出，本系统的MIMO等效阵列为收发阵列的谐波矩阵之间的克罗内克积和收发阵列方向矩阵克罗内克积的乘积。方向矩阵克罗内克积的乘积即为MIMO等效阵列的阵列流形。因此针对时间调制MIMO系统的波束形成，主要是设计收发阵列的谐波矩阵。本系统的谐波矩阵之间的克罗内克积可写为下式

式中

由公式(17)和(18)可知，对于谐波矩阵的设计即为发射和接收阵列阵元开关时间的设计。将公式(18)中的相位项和幅度项分别设置为所需的值，即可完成MIMO等效阵列的波束形成。下面对本系统中波束形成的计算过程进行推导。以+1次谐波的波束形成为例，首先将(18)中的幅度项和相位项分别提取赋值。第mn虚拟阵元的幅度项如下式所示

相位项如下式所示

式中γ代表波数，d_mn表示第mn个虚拟阵元的位置。由公式(19)和(20)可知，通过设定每个阵元的权值w以及波束指向角度θ，即可计算出每个阵元的开关时间。

下面进行仿真实验测试。

假设将幅度项设置为均匀加权，即

将+1谐波的相位设置为10°，通过公式(19)、(20)可以得到每个阵元的归一化开关时间，如表1所示。

表1 阵元开关时间

经过计算机仿真，得到的方向图参见图5所示。由图5可以看出，此时的+1次谐波指向与设置的目标一致。另外，结合公式(10)、(11)可知h次谐波的相位是+1谐波的h倍，从图5可以看出此时的+2谐波指向相位是20°，符合公式推导。

Claims (10)

1.一种基于时间调制阵列的MIMO雷达系统，包括发射机和接收机，其特征在于，所述发射机包括N个阵元组成的发射阵列和第一单刀单掷射频开关，每个阵元对应连接第一单刀单掷射频开关，每个第一单刀单掷射频开关接入用于数据传输的CDMA信号发射通道；所述接收机包括M个阵元组成的接收阵列、第二单刀单掷射频开关、解交织器、低噪放以及带通滤波器，每个阵元对应连接第二单刀单掷射频开关，用于接收码元信息，第二单刀单掷射频开关接解交织器输入端，解交织器用于将接收的码元信息进行解交织，得到CDMA信号流，解交织器输出端和用于将信号放大的低噪放输入端连接，低噪放输出端与带通滤波器输入端连接，带通滤波器用于对信号进行带通滤波，输出谐波信号。

2.根据权利要求1所述的MIMO雷达系统，其特征在于，所述CDMA信号发射通道的码片周期T_s满足T_s＝LT_c＝JNT_c，T_c为码元周期，符号的长度L＝JN，J为完成一次传输的符号数目，L？N。

3.根据权利要求2所述的MIMO雷达系统，其特征在于，所述发射阵列中第n阵元的传输基带信号c(n,t)为：

式中，a_i∈{-1,+1}为用户码序列，u(t-iT_c)为矩形脉冲信号。

4.根据权利要求2所述的MIMO雷达系统，其特征在于，所述接收阵列的接收信号Y为：

Y＝B^T(AS+N)

式中，A＝[a(θ₁),L,a(θ_k)]为方向矩阵，k为快拍数，S＝[β₁,L,βk_k]^T为源信号，N为具有不相关项的加性复高斯噪声向量，B为谐波向量组成的矩阵，B具体为：

5.根据权利要求2所述的MIMO雷达系统，其特征在于，所述发射阵列和接收阵列的等效联合阵列为：

其中，

和

为：

式中，

分别为发射机和接收机中每个第一单刀单掷射频开关和第二单刀单掷射频开关的归一化开关时间，h代表谐波的级数。

6.根据权利要求5所述的MIMO雷达系统，其特征在于，所述发射阵列和接收阵列阵元之间的间距满足下式：

|Δτ_tn(θ_k)+Δτ_rm(θ_k)-Δτ_tn′(θ_k)-Δτ_rm′(θk_k)|＝T_c

Δτ_tn(θ)＝τ_t1(θ)-τ_tn(θ),Δτ_rm(θ)＝τ_r1(θ)-τ_rm(θ)

其中，τ_tn(θ)和τ_rm(θ)分别为相对目标发射阵列中第n阵元和接收阵列中第m阵元的延时分别，Δτ_tn(θ)和Δτ_rm(θ)分别为发射阵列中第n阵元和接收阵列中第m阵元相对第一阵元的延时，θ为目标的角度，θ_k为快拍数为k时的角度，k为快拍数。

7.根据权利要求5所述的MIMO雷达系统，其特征在于，所述等效联合阵列的调制周期T_p满足：T_p＜T_c/MJN，F_p＞MF_s＝MJNF_c，F_p为调制频率，F_s为码片频率，F_c为码元频率。

8.根据权利要求1所述的MIMO雷达系统，其特征在于，所述发射阵列和接收阵列的阵元个数均为2，所述谐波为+1次谐波。

9.一种基于权利要求1～9任一所述的MIMO雷达系统的波束形成方法，其特征在于，包括步骤：

设定发射阵列和接收阵列每个阵元的权值以及波束指向角度；

根据权值以及波束指向角度，确定每个第一单刀单掷射频开关和第二单刀单掷射频开关的开关时间；

等效联合阵列根据开关时间进行调制形成期望的波束。

10.根据权利要求9所述的波束形成方法，其特征在于，所述根据权值以及波束指向角度，确定每个第一单刀单掷射频开关和第二单刀单掷射频开关的开关时间，具体为：

所述等效联合阵列的第mn虚拟阵元的权值|w_mn|与每个第一单刀单掷射频开关和第二单刀单掷射频开关的开关时间的关系式为：

所述波束指向角度θ与每个第一单刀单掷射频开关和第二单刀单掷射频开关的开关时间的关系式为：

其中，γ为波数，d_mn为第mn个虚拟阵元的位置；

通过所述关系式求解确定开关时间。

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