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    重庆时时彩专家视频: 杂波中检测目标用MIMO雷达发射波形的分级设计方法.pdf

    摘要
    申请专利号:

    重庆时时彩单双窍门 www.4mum.com.cn CN201410122330.8

    申请日:

    2014.03.28

    公开号:

    CN103969633A

    公开日:

    2014.08.06

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01S 7/41申请日:20140328|||公开
    IPC分类号: G01S7/41; G01S7/36; G01S7/42 主分类号: G01S7/41
    申请人: 西安电子科技大学
    发明人: 纠博; 陈雁飞; 刘宏伟; 王英华; 戴丰周
    地址: 710071 陕西省西安市太白南路2号
    优先权:
    专利代理机构: 西安睿通知识产权代理事务所(特殊普通合伙) 61218 代理人: 惠文轩
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201410122330.8

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2016.05.18|||2014.09.03|||2014.08.06

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明属于雷达技术领域,涉及集中式MIMO(Multiple?Input?Multiple?Output)雷达的发射波形设计,公开了一种杂波中检测目标用MIMO雷达发射波形的分级设计方法,能够提高杂波的抑制性能,可用于强杂波中的目标检测;其包括以下步骤:步骤1,建立MIMO雷达信号模型,获取杂波在空域上的强度以及在时间域上的主瓣响应先验知识;步骤2,基于杂波在空域上的强度先验知识,设计发射信号的自相关矩阵Rx;步骤3,联合优化主瓣合成信号(Mainlobe?Synthesized?Signal,MSS)和失配滤波器来抑制主瓣杂波信号;步骤4,在恒模条件约束下,设计发射波形矩阵。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种杂波中检测目标用MIMO雷达发射波形的分级设计方法,其特征在于,包括以下步骤:
    步骤1,建立MIMO雷达信号模型,获取杂波在空域上的强度以及在时间域上的主瓣响应;
    步骤2,根据空域上杂波强度以及MIMO雷达信号模型,分别计算出目标回波能量Pt和θk方向上杂波的回波能量Pck,得到输出信号能量与杂波能量比SCR为其中,k=1,2,…,K,K表示杂波区域在空域上的等分个数;在自相关矩阵半正定以及发射天线发射能量恒定条件约束下,通过最大化输出信号能量与杂波能量比SCR得到最优的发射信号的自相关矩阵Rx;
    步骤3,根据MIMO雷达的信号模型分别得到主瓣合成信号和主瓣杂波响应分别为st=XaT(θt)和qt=[qt(1),qt(2),…,qt(Nc)]T,其中θt表示目标所在的方位角,aT(θt)表示θt方向上的发射导向矢量,NP表示信号码长,N表示阵元个数,C表示复数域;发射信号波形矩阵X表示为xm=[xm(1),xm(2),…,xm(Np)]T,其中xm(n)(m=1,…,N)表示第m个阵元天线发射的恒模信号,aT(θt)=[1,e-j2πdsin(θt)/λ,...,e-j2π(N-1)dsin(θt)/λ]T,]]>其中d表示阵元间距,λ表示信号波长;利用联合优化主瓣合成信号和失配滤波器的设计得到最优的主瓣合成信号st以及失配滤波器h;
    步骤4,在恒模条件约束下,设计发射波形矩阵:对已得到的发射信号自相关矩阵Rx,采用cyclic algorithm算法设计发射信号波形矩阵XCA;利用得到的主瓣合成信号st,最终得到发射波形矩阵为:
    Xopt=diag(ejφ)XCA
    其中,φ=arg(st)-arg(XCAaT(θt)),arg(a)表示矢量a的相位角度。

    2.  根据权利要求1所述的杂波中检测目标用MIMO雷达发射波形的分级设计方法,其特征在于,步骤2的子步骤为:

    2.  0)根据空域上杂波强度以及MIMO雷达信号模型,目标回波的能量表示为:
    Pt=||yt||22=|ζ|2aTH(θt)XHXaT(θt)=|ζ|2tr(RxRat)---<1>]]>
    其中Rx=XHX表示发射信号的自相关矩阵,tr(·)表示计算矩阵迹的运算,(·)H表示矩阵的共轭转置运算,||·||2表示Euclidean范数,ζ表示目标的复反射系数;
    方位角θk方向上的杂波回波能量可近似表示为:
    Pck=tr(yckyckH)=σk2(wHaR(θk)aTH(θk)RxaT(θk)aRH(θk)w)=σk2ωk2tr(RxaT(θk)aTH(θk))=tr(RxRak)---<2>]]>
    其中表示方位角θk方向上的杂波强度,w是一个N×1维向量,ωk=wHaR(θk),Rak=|ωk|2σk2aT(θk)aTH(θk);]]>
    发射信号的自相关矩阵Rx的设计如下:

    2.  1)写出目标函数:
    输出信号能量与杂波能量比SCR如<3>式所示:
    η=PtΣk=1KPck=|ζ|2tr(RxRat)Σk=1Ktr(RxRak)=|ζ|2tr(RxRat)tr(RxRa)---<3>]]>
    其中Ra=Σk=1KRak.]]>

    2.  2)最大化<3>式,建立如下凸规划数学模型:
    maxRxtr(RxRat)tr(RxRa)]]>
    s.t.Rx≥0 <4>
    Rx(i,i)=E,i=1,2,…,N
    其中Rx≥0表示矩阵Rx为半正定矩阵,[M]ij表示矩阵M的第(i,j)个元素,E表示每根阵元天线的发射能量,N表示阵元个数;
    将<4>式中的代价函数转化为最小化旁瓣杂波能量,数学模型等价于<5>式:
    minRxtr(RxRa)]]>
    s.t.tr(RxRat)=N2E(1-β) <5>
    Rx≥0
    [Rx]ii=Efori=1,2,…,N
    其中β是用来控制主瓣增益损失的一个小的正数,N表示阵元个数;

    2.  3)通过凸优化工具包cvx可以求得<5>式中最优的发射信号的自相关矩阵Rx。

    3.  根据权利要求1所述的杂波中检测目标用MIMO雷达发射波形的分级设计方法,其特征在于,步骤3的子步骤为:

    3.  0)首先,根据MIMO雷达信号模型,经过滤波器后输出的信号分量和杂波分量为<6>式:
    zt=ζHXaT(θt)
    zc=Σk=1KQkHXaT(θk)aRT(θk)w---<6>]]>
    其中矩阵H是(Np+Nh-1)×Np维的矩阵,Qk为(Np+NC+Nh-2)×(Np+Nh-1)维矩阵,Nh表示失配滤波器的长度,分别如下所示:


    然后,根据<6>式中zt的中心元素表示主瓣自相关函数,定义自相关主瓣增益损失为:
    AMGL=aTH(θt)XHXaT(θt)[H]NP+Nh2,:XaT(θt)---<9>]]>
    其中[M]i,:表示矩阵第i行所有元素;
    自相关峰值旁瓣电平表示为:
    APSL=max{|zt(i)|2},i=1,...,(Np+Nh-1)i&NotEqual;NP+Nh2---<10>]]>
    其中max{·}表示选取所有元素中最大值的运算;
    杂波峰值电平表示为:
    CPL=max{|zc(i)|2},i=1,…,Np+Nh+Nc-2 <11>
    得到主瓣合成信号波形和主瓣杂波响应分别为:
    st=XaT(θt) <12>
    qt=[qt(1),qt(2),…,qt(Nc)]T <13>
    得到主瓣杂波的回波表达式为:
    ct=qt*st <14>
    经接收失配滤波器h后,输出的主瓣杂波回波信号和目标回波信号分别为:
    zct=h*qt*st=qt*h*st <15>
    zt=h*ζst <16>
    分别写成矩阵形式,输出的主瓣杂波回波信号和目标回波信号可以重新写为:
    zct=QtHst=QtSth <17>
    zt=Hst=ζSth <18>
    其中矩阵St为(Np+Nh-1)×Nh维矩阵,表示为:


    3.  1)在控制自相关主瓣增益损失情况下,最小化自相关旁瓣电平APSL和杂波峰值电平CPL,得到数学模型为:
    minst,hp1+λ2p2]]>
    s.t.|stHst[St](NP+Nh)/2,:h1+λ1]]>
    |zct(i)|2≤p1,i=1,2,…,NC+NP+Nh-2 <20>
    |zt(i)|2p2,i=1,...,(NP+Nh-1)i&NotEqual;NP+Nh2]]>
    |st(i)|N=E(1-β)Np,i=1,2,...,NP]]>
    其中λ1和λ2都是小的正数,分别用来控制自相关主瓣增益损失以及目标函数中杂波峰值电平和自相关旁瓣电平比例的正尺度因子,p1表示自相关峰值旁瓣电平,p2表示杂波峰值电平。
    不失一般性,将主瓣合成信号的能量归一为单位能量,数学模型重新写为:
    minst,hp1+λ2p2]]>
    s.t.|[St](NP+Nh)/2,:h|&GreaterEqual;11+λ1]]>
    |zc(i)|2≤p1,i=1,2,...,Nc+Np+Nh-2 <21>
    |zt(i)|2p2,i=1,...,(Np+Nh-1)i&NotEqual;Np+Nh2]]>
    |st(i)|=ENp,i=1,2,...,Np]]>

    3.  2)对<21>式按如下步骤求解:

    3.  2a)按式<12>设置初始的主瓣合成信号矩阵st,按式<13>计算主瓣杂波响应向量qt;

    3.  2b)令i=0,设置Nh×1维初始失配滤波器hi为

    其中表示将st中对第n个元素取共轭。同时设置小的正数λ1、λ2和ξ,利用<8>式计算矩阵Qt;

    3.  2c)令i值增1,利用<13>式计算矩阵H,同时固定hi-1,利用cvx优化工具包寻找<22>式的最优解
    minstp1+λ2p2]]>
    s.t.max|QtHst|≤p1 <22>
    max|Hst-d|≤p2
    ||st||2≤1
    其中表示期望的自相关函数。求解得到最优的主瓣合成信号为sti=1Npexp(j&CenterDot;arg(s^t)),]]>其中arg(a)表示矢量a的相位角度;

    3.  2d)固定sti,通过<23>式优化接收滤波器hi:
    minhip1+λ2p2]]>
    s.t.|[St](NP+Nh)/2,..hi-1|λ1---<23>]]>
    max|QtSthi|≤p1
    max|Sthi-d|≤p2
    其中矩阵St是步骤3.2c)中取得的sti通过<19>式计算得到的;

    3.  2e)重复步骤3.2c)和步骤3.2d),直到两次相邻两次循环得到的主瓣合成信号sti与st(i-1)满足终止条件||sti-st(i-1)||≤ξ,停止并输出最优解st=sti,h=hi;否则,转入步骤3.2c)中继续循环。

    4.  根据权利要求1所述的杂波中检测目标用MIMO雷达发射波形的分级设计方法,其特征在于,步骤4的子步骤为:

    4.  1)在恒模条件约束下,发射波形矩阵设计的数学模型写为:

    s.t.XaT(θt)=st <24>

    在每次发射过程中,如果给发射波形加任一相位,MIMO雷达的发射方向图将保持不变,即:
    |aTH(θk)x~HX~aT(θk)|=|aTH(θk)XHXaT(θk)|fork=1,...,K---<25>]]>
    其中表示改变相位后的波形矩阵,表示增加的相位向量,K表示将整个空域等分的个数,diag(·)表示对角矩阵;

    4.  2)利用这一性质,<24>式简化成在满足给定发射方向图条件下的发射波形矩阵设计问题,等价的数学模型为:


    利用CA算法求解<26>式,可以得到初始发射波形矩阵XCA;

    4.  3)利用步骤3中得到的最优主瓣合成信号st,最终的发射波形矩阵可以通过初始发射波形矩阵XCA的相位得到,如<27>式所示:
    Xopt=diag(ejφ)XCA <27>
    其中φ=arg(st)-arg(XCAaT(θt)),arg(a)表示矢量a的相位角度。

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    杂波中 检测 目标 MIMO 雷达 发射 波形 分级 设计 方法
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