CN113820665A - 一种基于时间分集阵子阵划分的空域覆盖范围增强方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时间分集阵子阵划分的空域覆盖范围增强方法，包括：将MIMO雷达的发射阵元划分为多个子阵；在相邻子阵之间引入时延，并建立子阵划分时间分集阵信号模型；根据子阵划分时间分集阵信号模型获得多维模糊函数表达式；根据子阵划分时间分集阵信号模型，分别改变子阵内部的阵元间距和相邻子阵间距，获得子阵划分多维模糊函数表达式；根据子阵划分多维模糊函数表达式调节空域覆盖范围。该方法通过对多个发射阵元进行子阵划分并在相邻子阵之间引入时延，可以提高距离分辨率，同时通过改变相邻子阵间距和子阵内阵元间距，可以在提高发射阵元的距离分辨率的同时，提高其在单位脉冲时间内的空域覆盖范围。

Description

一种基于时间分集阵子阵划分的空域覆盖范围增强方法

技术领域

本发明属于雷达发射技术领域，具体涉及一种基于时间分集阵子阵划 分的空域覆盖范围增强方法。

背景技术

MIMO(Multiple Input Multiple Output，多进多出)雷达具有可控自由度 多、更高的距离和多普勒分辨率、对多目标的分辨能力、更高的目标参数精 度等优点，因此未来应用前景广阔。MIMO雷达系统根据天线间的排布方 式可以细分为统计(分布式)MIMO雷达系统和相参(集中式)MIMO雷达系统 两大类。

分布式MIMO雷达系统，各发射器在空间上相距较远，发射器与接收 器通常相隔数十或数百公里，各发射器通过发射不同角度的正交波形实现 全空域覆盖。集中式MIMO雷达系统与相控阵雷达系统的阵列构型较为相 似，阵元间距相比分布式MIMO雷达系统更小，集中式MIMO雷达各路阵 元的信号同样相互正交，具有全空域覆盖的特性。通过使用正交波形，集中 式MIMO雷达可以抑制阵列辐射的能量在空域中的任意方向积累，从而在 空域中实现低增益全角度的发射方向图。然而，完全正交的波形工程实现难 度大，导致方向图出现较大的波动。同时，全向方向图的发射增益较低，需 要增加接收信号的相干积累进行补偿，而长时间的增益积累会导致目标出 现回波跨距离单元、跨多普勒单元、跨接收波束的“三跨”问题。

针对以上提出的集中式MIMO雷达的诸多限制，近年来关于新型发射 分集MIMO雷达的讨论层出不穷。Francois Le Chevalier团队于2013年提 出在发射阵元间引入一个微小的时间变量，当引入的时间变量与信号带宽 的乘积为1时，可使得各发射阵元的发射信号在时域上满足相互正交，即 时间分集阵。时间分集阵发射单一波形即可以实现全角度的发射方向图，然 而时间分集阵的距离分辨率会随发射阵元数的增加而下降，发射阵元数越多，距离分辨率越差。于是研究人员将发射阵元分成多个子阵，子阵内发射 相同信号，子阵间引入时延来减少累加项数，达到提高距离分辨率的目的， 但由此发射信号在时域上的正交性变差，导致时间分集阵全空域覆盖的特 性遭到破坏。

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时间分 集阵子阵划分的空域覆盖范围增强方法。本发明要解决的技术问题通过以 下技术方案实现：

本发明提供了一种基于时间分集阵子阵划分的空域覆盖范围增强方法， 包括：

S1：将MIMO雷达的发射阵元划分为多个子阵；

S2：在相邻子阵之间引入时延，并建立子阵划分时间分集阵信号模型；

S3：根据所述子阵划分时间分集阵信号模型获得多维模糊函数表达式；

S4：根据所述子阵划分时间分集阵信号模型，分别改变子阵内部的阵元 间距和相邻子阵间距，获得子阵划分多维模糊函数表达式；

S5：根据所述子阵划分多维模糊函数表达式获得空域范围内目标角度 与波束形成方向的对应关系，以调节空域覆盖范围。

在本发明的一个实施例中，所述S1包括：

将所述MIMO雷达的M个发射阵元划分为K个子阵，在第k个子阵中包 括M_k个发射阵元其中，1≤k≤K，M_k≤M。

在本发明的一个实施例中，所述S2包括：

S21：在相邻子阵之间引入子阵间时延Δt，且子阵内部所有发射阵元 发射相同的波形；

S22：获得第k个子阵发送的基带波形：

其中，t表示时间；

S23：获得第k个子阵发送的发射信号：

其中，f₀表示载频，j表示复数。

S24：根据第k个子阵的发射信号，构建子阵划分时间分集阵信号模型：

其中，s_k(t,θ)表示第k个子阵在时间t和目标角度θ处的发射合信号， λ为波长，d为相邻阵元间距，θ表示目标角度，M_i表示第i个子阵的阵元 数目，m_k表示第k个子阵中的阵元序号，M_k表示第k个子阵中的阵元数目。

在本发明的一个实施例中，所述子阵间时延Δt为带宽的倒数。

在本发明的一个实施例中，所述S3包括：

S31：对K个子阵的发射合信号进行求和，获得K个子阵的总发射合信 号s(t,θ)：

S32：利用所述总发射合信号s(t,θ)的自相关函数，获得发射方向图：

P_T(t,θ)＝|s(t,θ)|²，

其中，|·|²表示取绝对值的平方；

S33：获得基于子阵划分的多维模糊函数表达式：

其中，s(t,θ₀)为K个子阵在时间t和角度θ₀处的总发射合信号，θ为目 标方向，θ₀为波束形成方向，τ为自相关函数的延迟时间，*表示取共 轭，k表示第k个子阵，l表示第l个子阵，m_k表示第k个子阵中的阵元序 号，m_l表示第l个子阵中的阵元序号，M_k表示第k个子阵中的阵元数量， M_l表示第l个子阵中的阵元数量；

S34：根据所述多维模糊函数表达式获得角度-角度模糊函数图 χ_sub(θ,θ₀)_τ＝0和距离-角度模糊函数图

在本发明的一个实施例中，所述子阵划分多维模糊函数表达式为：

其中，d_o为相邻子阵间距和d_i为子阵内阵元间距。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明基于时间分集阵子阵划分的空域覆盖范围增强方法通过对 MIMO雷达的多个发射阵元进行子阵划分并在相邻子阵之间引入时延，可以 减少累加项，从而达到在阵元数较多时提高距离分辨率的目的，且子阵划分 方式灵活，可以根据不同的划分方式达到不同的效果。同时通过改变相邻子 阵间距和子阵内阵元间距，可以在提高发射阵元的距离分辨率的同时，提高 其在单位脉冲时间内的空域覆盖范围，具有更好的性能。

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时间分集阵子阵划分的空域覆盖 范围增强方法的流程图；

图2是本发明实施例的一种基于子阵划分的时间分集阵的发射阵列示 意图；

图3a是在本发明实施例提供的基于时间分集阵子阵划分的空域覆盖范 围增强方法，子阵内阵元间距d_i＝λ/2，相邻子阵间距d_o＝λ/6对应的发射 方向图；

图3b是在本发明实施例提供的基于时间分集阵子阵划分的空域覆盖范 围增强方法下，子阵内阵元间距d_i＝λ/6，相邻子阵间距d_o＝λ/2对应的发 射方向图；

图3c是在本发明实施例提供的基于时间分集阵子阵划分的空域覆盖范 围增强方法下，子阵内阵元间距d_i＝λ/2，相邻子阵间距d_o＝λ/2对应的发 射方向图；

图3d是在本发明实施例提供的基于时间分集阵子阵划分的空域覆盖范 围增强方法下，子阵内阵元间距d_i＝λ/6，相邻子阵间距d_o＝λ/6对应的发 射方向图；

图4a是在本发明实施例提供的基于子阵划分的时间分集阵空域覆盖范 围增强方法下，子阵内阵元间距d_i＝λ/2，相邻子阵间距d_o＝λ/2对应的角 度-角度模糊函数图；

图4b是在本发明实施例提供的基于子阵划分的时间分集阵空域覆盖范 围增强方法下，子阵内阵元间距d_i＝λ/6，相邻子阵间距d_o＝λ/6对应的角 度-角度模糊函数图；

图5a是在本发明实施例提供的基于子阵划分的时间分集阵空域覆盖范 围增强方法下，子阵内阵元间距d_i＝λ/2，相邻子阵间距d_o＝λ/2对应的距 离-角度模糊函数图；

图5b是在本发明实施例提供的基于子阵划分的时间分集阵空域覆盖范 围增强方法下，子阵内阵元间距d_i＝λ/6，相邻子阵间距d_o＝λ/6对应的距 离-角度模糊函数图。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效， 以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的基于时间分集阵子阵 划分的空域覆盖范围增强方法进行详细说明。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具 体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本 发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解， 然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加 以限制。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来 将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗 示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包 括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括 一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出 的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要 素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

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时间分集阵子阵划分 的空域覆盖范围增强方法的流程图。本实施例的时间分集阵空域覆盖范围 增强方法包括：

S1：将MIMO雷达的发射阵元划分为多个子阵；

假设所述MIMO雷达包括M个发射阵元，将所述M个发射阵元划分为K 个子阵，并且在第k(1≤k≤K)个子阵中包括M_k(M_k≤M)个阵元。这里以规 则子阵划分为例，意味着每个子阵中的阵元数M_k都相同。例如所述时间分 集阵中共包括20个发射阵元，划分为5个子阵，如果规则划分，则每个子阵 内包括4个发射阵元。

S2：在相邻子阵之间引入子阵间时延，并建立子阵划分时间分集阵信号 模型；

需要说明的是，传统的MIMO雷达各个发射阵元同时发射信号，而时间 分集阵每个阵元发射信号的时间不同，第一个阵元发射之后经过很小一段 时延后第二个阵元再发射信号，再过一段时间第三个阵元再发射信号，以此 类推，也就是说，相邻发射阵元发射信号存在时延。当相邻发射阵元之间的 时延取带宽的倒数时，可以满足发射信号在时间上正交，从而实现在不同时 间信号主瓣指向不同方向，即全空域覆盖。

然而，传统的时间分集阵虽然能在一个带宽时间内实现全空域覆盖，但 当发射阵元数增多时，距离分辨率也随之降低，本实施例中引入基于子阵划 分的时间分集阵，所述引入基于子阵划分的时间分集阵区别于传统的时间 分集阵，仅在相邻子阵之间引入时延，子阵内部的相邻发射阵元之间没有时 延，通过减少引入时延带来的累加项数，从而达到提高距离分辨率的作用。

具体地，所述S2包括：

S21：在相邻子阵之间引入子阵间时延Δt，且子阵内部所有发射阵元发 射相同的波形。

具体地，在每个相邻子阵之间引入一个子阵间时延Δt，而子阵内的发射 阵元间同时发射相同信号，即子阵划分后的子阵内部相邻阵元间不再存在 时延。请参见图2，图2是本发明实施例的一种基于子阵划分的时间分集阵的 发射阵列示意图。在均匀线性阵列中，M个发射阵元共被分为K个子阵， 每个子阵内分别有M₁,…,M_k,…,M_K个发射阵元，即，第一个子阵中包含M₁个发射阵元，第二个子阵中包含M₂个发射阵元，第k个子阵中包含M_k个发射阵元…第K个子阵中包含M_K个发射阵元。在本实施例中，可以取 M₁＝…＝M_k＝M_K，每个子阵内同时发射信号，子阵间引入子阵间时延Δt， 即第k个子阵对应的时延为(k-1)Δt。然而，在其他实施例中，每个子阵内 的发射阵元数量M₁,…,M_k,…,M_K也可以不同。所述子阵间时延Δt为带宽的 倒数。

S22：获得第k个子阵发送的基带波形。

具体地，子阵中的所有阵元都发射相同的波形

这里

以线性调 频信号为例，即每个子阵可以看作一个相控阵，第k个子阵发送的基带波形 为：

其中，t表示时间。

S23：获得第k个子阵发送的发射信号。

由于第k个子阵中的所有发射阵元均发射相同的波形

即每个子 阵可以看作一个相控阵，第k个子阵的发射信号可以表示为：

其中，f₀表示载频，j表示复数。

S24：根据第k个子阵的发射信号，构建子阵划分时间分集阵信号模型：

其中，s_k(t,θ)表示第k个子阵在时间t和目标角度θ处的发射合信号， λ为波长，d为相邻阵元间距，θ表示目标角度，M_i表示第i个子阵的阵元 数目，m_k表示第k个子阵中的阵元序号，M_k表示第k个子阵中的阵元数目。 例如，M_i＝5表示第i个子阵中包括5个发射阵元，m_k＝4表示第k个子阵中 的第4个阵元。

需要说明的是，传统MIMO雷达的阵元间距均为半波长，即d＝λ/2。

S3：根据所述子阵划分时间分集阵信号模型获得多维模糊函数表达式；

具体地，所述S3包括：

S31：对K个子阵的发射合信号进行求和，获得K个子阵的总发射合信 号s(t,θ)：

S32：利用所述总发射合信号s(t,θ)的自相关函数，获得发射方向图：

P_T(t,θ)＝|s(t,θ)|²，

其中，|·|²表示取绝对值的平方；

S33：获得基于子阵划分的多维模糊函数表达式：

其中，s(t,θ₀)表示K个子阵在时间t和角度θ₀处的总发射合信号，θ为 目标方向，θ₀为波束形成方向，τ为自相关函数的延迟时间，符号*表示取 共轭，k表示第k个子阵，l表示第l个子阵，m_k表示第k个子阵中的阵元 序号，m_l表示第l个子阵中的阵元序号，例如，m_k＝4表示第k个子阵中 的第4个阵元，m_l＝3表示第l个子阵中的第3个阵元，M_k表示第k个子 阵中的阵元数量，M_l表示第l个子阵中的阵元数量，

为匹配滤波器在波束形成方 向θ₀上的输出，

表示具有 方向θ和时延τ的信号。

S34：根据所述多维模糊函数表达式获得角度-角度模糊函数图 χ_sub(θ,θ₀)_τ＝0和距离-角度模糊函数图

由于多维模糊函数χ_sub(τ,θ,θ₀)具有多维变量，需要进行降维处理，本 实施例通过固定其中一个变量，分析剩余变量之间的相应特性，在此考虑角 度和距离两种降维切片，具体地，

(1)χ_sub(θ,θ₀)_τ＝0为角度-角度(Angle-angle)模糊函数图，可以体现本实施例 基于子阵划分的时间分集阵在一个脉冲时间内的全向发射特性，沿主对角 线上的波动可表示方向图增益随角度的变化情况，其每个纵向剖面图表示 针对每个波束形成方向θ₀处的发射方向图，此外，还可以反映角度分辨率， 角度旁瓣电平等角度维特性。

(2)

为距离-角度(Range-angle)模糊函数图，表示固定波束形 成方向θ₀＝0°时，本实施例基于子阵划分的时间分集阵角度和距离的关系图， 其每个纵向剖面反映了θ方向上的距离分辨率，距离旁瓣电平等距离维特性。

S4：根据所述子阵划分时间分集阵信号模型，分别改变子阵内部的阵元 间距d_i和相邻子阵间距d_o，获得对应的子阵划分多维模糊函数表达式。

具体地，改变相邻子阵间距d_o和子阵内阵元间距d_i，对应的子阵划分模 糊函数表达式为：

S5：根据所述子阵划分多维模糊函数表达式获得空域范围内目标角度 与波束形成方向的对应关系，以调节空域覆盖范围。

具体地，分析上述不同相邻子阵间距d_o和子阵内阵元间距d_i得到的子 阵划分多维模糊函数表达式，可以得到本实施例基于子阵划分的时间分集 阵在空域范围内目标角度θ和波束形成方向θ₀的对应关系，改变相邻子阵 间距d_o和子阵内阵元间距d_i导致天线孔径发生变化，从而相邻角度间角度 主瓣重叠区域发生改变，引起角度覆盖范围发生变化，即目标角度 θ∈[-π/2,π/2]时，增大相邻子阵间距d_o和子阵内阵元间距d_i，可以使得 对应的波束形成方向θ₀方向范围变大，从而达到提高空域覆盖范围的目的。

接着，通过仿真实验来进一步说明本发明实施例基于时间分集阵子阵 划分的空域覆盖范围增强方法的效果。

为了表明本实施例单位脉冲时间内的性能，分别用本发明实施例的方 法对子阵划分不同布阵间隔(即相邻子阵间距d_o和子阵内阵元间距d_i不再取 传统的半波长，而是取不同的值)的发射方向图响应，角度-角度模糊函数 以及距离-角度模糊函数进行仿真对比，对比的性能指标是空域覆盖范围。

参数设置：将本实施例的MIMO雷达的发射阵元分为5个子阵，在规 则非重叠子阵中，有M₁＝M₂＝…M₅＝4，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＝15°。

表1本实施例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

不同布阵方式下的子阵划分发射方向图如图3a至图3d所示，通过对发 射方向图响应进行分析，观察发射信号在一个脉冲内不同时刻主瓣在对应 的方向上的辐射功率，刻画了发射信号在空间不同位置的能量分布情况。可 以看到，无论是子阵内的阵元间距d_i和相邻子阵间距d_o，都满足在减少阵元 间距的同时提高了发射方向图单位脉冲时间内的角度覆盖范围。且在图3b 中，每个时间都有至少两个角度主瓣与之匹配，即存在栅瓣效应。再进一步 减少阵元间距之后，如图3d所示，可以进一步扩大子阵划分时间分集阵在 单个脉冲时间内的角度覆盖范围，且减少栅瓣效应的影响。

不同布阵方式下的子阵划分角度-角度模糊函数图如图4a和图4b所示， 阵元间距的减少虽然可以提高子阵划分的空域覆盖范围，但是对应的角度 分辨率降低。且由于角度副瓣的抬升，在角度较大时，θ为两个角度θ₀的主 瓣中心，即存在角度模糊现象。

不同布阵间隔下的距离-角度模糊函数图如图5a和图5b所示，图中的带 状形主瓣显示了时间分集阵的距离-角度二维依赖性。当设置波束形成方向 θ₀＝15°时，图5a中由于该方向位于旁瓣区域，因此不会在15°区域形成伪峰。 而在图5b中，距离-角度二维模糊函数平面内对应位置θ＝θ₀＝15°处可以看到 形成清晰的峰值。

综上，本实施例基于时间分集阵子阵划分的空域覆盖范围增强方法通 过对MIMO雷达的多个发射阵元进行子阵划分并在相邻子阵之间引入时延， 可以减少累加项，从而达到在阵元数较多时提高距离分辨率的目的，且子阵 划分方式灵活，可以根据不同的划分方式达到不同的效果。同时通过改变相 邻子阵间距和子阵内阵元间距，可以在提高发射阵元的距离分辨率的同时， 提高其在单位脉冲时间内的空域覆盖范围，具有更好的性能。

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 (6)

1.一种基于时间分集阵子阵划分的空域覆盖范围增强方法，其特征在于，包括：

S1：将MIMO雷达的发射阵元划分为多个子阵；

S2：在相邻子阵之间引入时延，并建立子阵划分时间分集阵信号模型；

S3：根据所述子阵划分时间分集阵信号模型获得多维模糊函数表达式；

S4：根据所述子阵划分时间分集阵信号模型，分别改变子阵内部的阵元间距和相邻子阵间距，获得子阵划分多维模糊函数表达式；

S5：根据所述子阵划分多维模糊函数表达式获得空域范围内目标角度与波束形成方向的对应关系，以调节空域覆盖范围。

2.根据权利要求1所述的基于时间分集阵子阵划分的空域覆盖范围增强方法，其特征在于，所述S1包括：

将所述MIMO雷达的M个发射阵元划分为K个子阵，在第k个子阵中包括M_k个发射阵元其中，1≤k≤K，M_k≤M。

3.根据权利要求2所述的基于时间分集阵子阵划分的空域覆盖范围增强方法，其特征在于，所述S2包括：

S21：在相邻子阵之间引入子阵间时延Δt，且子阵内部所有发射阵元发射相同的波形；

S22：获得第k个子阵发送的基带波形：

其中，t表示时间；

S23：获得第k个子阵发送的发射信号：

其中，f₀表示载频，j表示复数。

S24：根据第k个子阵的发射信号，构建子阵划分时间分集阵信号模型：

其中，s_k(t,θ)表示第k个子阵在时间t和目标角度θ处的发射合信号，λ为波长，d为相邻阵元间距，θ表示目标角度，M_i表示第i个子阵的阵元数目，m_k表示第k个子阵中的阵元序号，M_k表示第k个子阵中的阵元数目。

4.根据权利要求3所述的基于时间分集阵子阵划分的空域覆盖范围增强方法，其特征在于，所述子阵间时延Δt为带宽的倒数。

5.根据权利要求3所述的基于时间分集阵子阵划分的空域覆盖范围增强方法，其特征在于，所述S3包括：

S31：对K个子阵的发射合信号进行求和，获得K个子阵的总发射合信号s(t,θ)：

S32：利用所述总发射合信号s(t,θ)的自相关函数，获得发射方向图：

P_T(t,θ)＝|s(t,θ)|²，

其中，|·|²表示取绝对值的平方；

S33：获得基于子阵划分的多维模糊函数表达式：

其中，s(t,θ₀)为K个子阵在时间t和角度θ₀处的总发射合信号，θ为目标方向，θ₀为波束形成方向，τ为自相关函数的延迟时间，*表示取共轭，k表示第k个子阵，l表示第l个子阵，m_k表示第k个子阵中的阵元序号，m_l表示第l个子阵中的阵元序号，M_k表示第k个子阵中的阵元数量，M_l表示第l个子阵中的阵元数量；

S34：根据所述多维模糊函数表达式获得角度-角度模糊函数图χ_sub(θ,θ₀)_τ＝0和距离-角度模糊函数图

6.根据权利要求5所述的基于时间分集阵子阵划分的空域覆盖范围增强方法，其特征在于，所述子阵划分多维模糊函数表达式为：

其中，d_o为相邻子阵间距和d_i为子阵内阵元间距。

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