專利名稱：基于隨機空時編碼的集中式mimo雷達(dá)旁瓣壓縮方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，具體的說是一種基于隨機空時編碼的旁瓣壓縮方法，用于壓縮MIMO雷達(dá)回波的芳瓣。
背景技術(shù)：
集中式多輸入多輸出MMO雷達(dá)的發(fā)射天線在不同方向發(fā)射不同的雷達(dá)波形，為了使雷達(dá)接收天線在接收時能夠區(qū)分不同的發(fā)射波形，要求雷達(dá)波形的旁瓣要低，即雷達(dá)波形要有低的距離旁瓣和互相關(guān)旁瓣。同時，為了防止大功率目標(biāo)淹沒附近距離單元的小功率目標(biāo)以及大功率目標(biāo)的距離旁瓣觸發(fā)虛警，也要求MIMO雷達(dá)波形的距離旁瓣要盡可能的低。目前，主要通過設(shè)計合適的MMO雷達(dá)波形來降低MMO雷達(dá)波形的距離旁瓣和互相關(guān)旁瓣。至今，已經(jīng)提出了很多的MMO雷達(dá)波形設(shè)計算法，來降低波形的距離旁瓣和互相關(guān)旁瓣。雖然經(jīng)過數(shù)年的研究MMO雷達(dá)的波形設(shè)計方法已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步，但是所能獲得的最小距離旁瓣峰值水平似乎已經(jīng)達(dá)到了極限。并且在某些情況下，得到的波形的距離旁瓣和互相關(guān)旁瓣可能依然很高。因此，研究新的方法來進(jìn)一步降低距離旁瓣和互相關(guān)芳辦是很有意義的。最近提出的新方法是空時編碼方法以及它的改進(jìn)方法?？諘r編碼方法是一個非常有前景的方法；給定一組由MIMO雷達(dá)波形設(shè)計算法到得的波形，空時編碼方法在波形發(fā)射前使用空時編碼矩陣對波形進(jìn)行調(diào)制，從而進(jìn)一步降低波形的距離旁瓣和互相關(guān)旁瓣。研究發(fā)現(xiàn)，如果空時編碼方法的調(diào)制矩陣和解調(diào)矩陣滿足互相關(guān)相消條件，相參積累后波形間的互相關(guān)旁瓣就可以完全消除。空時編碼方法能夠完全消除波形間的互相關(guān)旁瓣，對于普通MMO雷達(dá)的波形設(shè)計算法來說是一個不可能達(dá)到的任務(wù)。但是，實際上，由大功率目標(biāo)引起的虛警概率與波形間的互相關(guān)旁瓣沒有直接關(guān)系。這是因為集中式MMO雷達(dá)在不同發(fā)射方向發(fā)射不同的波形，接收到的信號被分解為多個空間通道來處理不同方向的回波，所以不同方向回波的互相關(guān)旁瓣不僅取決于波形的距離旁瓣和互相關(guān)旁瓣，還取決于所用的發(fā)射天線以及回波的方向。因此，空時編碼方法中滿足互相關(guān)相消條件的調(diào)制矩陣和解調(diào)矩陣雖然能夠完全消除波形間的互相關(guān)旁瓣，但是不一定能夠得到目標(biāo)回波的低距離旁瓣和低互相關(guān)旁瓣。同時，互相關(guān)相消條件要求空時編碼矩陣的各列之間相互正交，由于在空時編碼矩陣中相互正交的最大向量數(shù)目不會超過矩陣的維數(shù)。因此，互相關(guān)相消條件對相參積累時的脈沖重復(fù)周期個數(shù)有一個隱含的限制，即相參積累時的脈沖重復(fù)周期個數(shù)不能超過發(fā)射天線的個數(shù)，限制了相參積累的效果。另外，空時編碼方法要求空時編碼矩陣為對角矩陣，但是存在其它的矩陣也可以作為空時編碼矩陣，限制了空時編碼矩陣的選擇范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于針對上述已有方法的缺點，提出了一種基于隨機空時編碼的旁瓣壓縮方法，以大幅降低MIMO雷達(dá)回波的旁瓣，擴(kuò)大空時編碼矩陣的選擇范圍。
實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)思路是使用隨機空時編碼矩陣對MIMO雷達(dá)波形調(diào)制后發(fā)射，通過接收回波對回波匹配濾波和相參積累。具體實現(xiàn)步驟包括如下I)給定一組低旁瓣的MMO雷達(dá)波形S ；2) MIMO雷達(dá)在第i次發(fā)射時，隨機產(chǎn)生一個滿足恒模調(diào)制的MMO雷達(dá)隨機空時編碼矩陣Ei 2a)隨機產(chǎn)生M個在(T2 上均勻分布的實數(shù)記為列向量r，得到列向量 =exP(j*r)根據(jù)得到一個MMO雷達(dá)隨機相位對角矩陣，記為diag((j>,_)，其中,M為發(fā)射天
線的個數(shù)，diag( )表示以輸入為對角元素的對角矩陣；
2b)隨機產(chǎn)生一個MMO雷達(dá)隨機置換矩陣Pi ；2c )根據(jù)步驟2a)和步驟2b )得到的MMO雷達(dá)隨機相位對角矩陣diag(cp;)和MMO雷達(dá)隨機置換矩陣Pi，得到一個MMO雷達(dá)隨機空時編碼矩陣Ei = P1 .diag((j>,)或E, = diag((p,).P,；3)用MMO雷達(dá)隨機空時編碼矩陣Ei對MMO雷達(dá)波形S進(jìn)行調(diào)制，并發(fā)射調(diào)制后的波形S' =EiS;4)MIM0雷達(dá)接收第i次發(fā)射信號的回波，基于步驟3)中調(diào)制后的波形S'對回波進(jìn)行匹配處理；5)MM0雷達(dá)積累最近的N次匹配處理后的回波并進(jìn)行相參積累，最終從整體上降低信號的旁瓣電平，其中，N為進(jìn)行相參積累的脈沖重復(fù)周期個數(shù)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點a)本發(fā)明由于只需隨機產(chǎn)生一個MIMO雷達(dá)隨機空時編碼矩陣對雷達(dá)波形調(diào)制后再發(fā)射，因此易于實現(xiàn)；b)本發(fā)明由于使用MMO雷達(dá)隨機相位對角矩陣與MMO雷達(dá)隨機置換矩陣相乘，得到MIMO雷達(dá)隨機空時編碼矩陣，因此大幅降低了雷達(dá)回波的旁瓣。


圖1是本發(fā)明的實現(xiàn)流程圖；圖2是原始MMO雷達(dá)波形的距離旁瓣和互相關(guān)旁瓣圖；圖3是本發(fā)明中四個不同方向回波的距離旁瓣和互相關(guān)旁瓣圖；圖4是本發(fā)明中接收端波束形成后的距離旁瓣和互相關(guān)旁瓣圖；圖5是本發(fā)明中隨機空時編碼矩陣調(diào)制后的多普勒維旁瓣圖；圖6是本發(fā)明中隨機空時編碼矩陣調(diào)制后的距離旁瓣圖；圖7是本發(fā)明中隨機空時編碼矩陣調(diào)制后的距離角度旁瓣圖。
具體實施例方式參照圖1，本發(fā)明的實現(xiàn)步驟如下步驟I，給定一組低旁瓣的MMO雷達(dá)波形。本發(fā)明沒有提供MMO雷達(dá)波形的設(shè)計算法，需要由現(xiàn)有的MMO雷達(dá)波形設(shè)計算法提供一組已經(jīng)設(shè)計好的MMO雷達(dá)波形。根據(jù)現(xiàn)有的MMO雷達(dá)波形設(shè)計算法使用MATLAB軟件設(shè)計一組低旁瓣的MIMO雷達(dá)波形記為S，要求這組MIMO雷達(dá)波形S中雷達(dá)波形的個數(shù)等于MIMO雷達(dá)發(fā)射天線的個數(shù)Μ，每個雷達(dá)波形的碼元個數(shù)根據(jù)實際要求確定。MIMO雷達(dá)將這組MIMO雷達(dá)波形S存儲在雷達(dá)發(fā)射機中。步驟2，隨機產(chǎn)生一個滿足恒模調(diào)制的MIMO雷達(dá)隨機空時編碼矩陣。2a)使用MATLAB軟件或其他編程軟件隨機產(chǎn)生M個在(Γ2 Ji上均勻分布的實數(shù)記為列向量r，根據(jù)列向量r得到一個M維的列向量φ, = exp(j^r)，根據(jù)％得到一個MIMO雷達(dá)隨機相位對角矩陣，記為diag^)，其中，M為發(fā)射天線的個數(shù)，diag( ·)表示以輸入為對角元素的對角矩陣；2b)使用MATLAB軟件或其他編程軟件產(chǎn)生一個MMO雷達(dá)隨機置換矩陣Pi,其中，置換矩陣的每一行和每一列只有一個元素為I其余元素為O ;2c )根據(jù)步驟2a)和步驟2b )得到的MMO雷達(dá)隨機相位對角矩陣diag(<p,.)和MIMO雷達(dá)隨機置換矩陣Pi,得到一個MIMO雷達(dá)隨機空時編碼矩陣％ =PiMiag((I)i)或Ei = diag((p,)*P; 步驟3，用MIMO雷達(dá)隨機空時編碼矩陣對MIMO雷達(dá)波形調(diào)制后發(fā)射調(diào)制波形。MIMO雷達(dá)在每次發(fā)射信號時，根據(jù)步驟2)中產(chǎn)生的MIMO雷達(dá)隨機空時編碼矩陣Ei對步驟I)中的MIMO雷達(dá)波形S進(jìn)行調(diào)制，得到調(diào)制后的波形= EiS, MIMO雷達(dá)的所有發(fā)射天線發(fā)射調(diào)制后的波形S'。步驟4，MIMO雷達(dá)接收回波并進(jìn)行匹配處理。MIMO雷達(dá)接收回波X，根據(jù)步驟3)中調(diào)制后的波形，MIMO雷達(dá)對回波X進(jìn)行匹配處理，得到匹配處理后的回波xm。匹配處理包括三個步驟接收天線波束形成、脈沖壓縮和發(fā)射天線方向綜合。MIMO雷達(dá)現(xiàn)有多種匹配處理算法，本發(fā)明對MMO雷達(dá)匹配處理算法的選擇沒有限制，可以根據(jù)實際情況進(jìn)行選取。步驟5，MIMO雷達(dá)對匹配處理后的回波進(jìn)行相參積累。5a) MIMO雷達(dá)依次存儲最近的N次匹配處理后的回波Xm，其中N為進(jìn)行相參積累的脈沖重復(fù)周期個數(shù)；5b) MIMO雷達(dá)對存儲的N次匹配處理后的回波Xm進(jìn)行相參積累，現(xiàn)有多種相參積累算法，本發(fā)明對相參積累算法的選擇沒有限制，可以根據(jù)實際情況進(jìn)行選取。本發(fā)明的效果通過以下仿真實驗進(jìn)一步說明仿真1，原始MMO雷達(dá)波形的距離旁瓣和互相關(guān)旁瓣。仿真參數(shù)設(shè)置如下=MIMO雷達(dá)波形S是文獻(xiàn)[B. Liu, Z. S. He, J. K. Zeng, B.Y.Liu,"Polyphase Orthogonal Code Design for MIMO Radar Systems", in Radar,International Conference on, pp. 1-4, 2006]中使用遺傳算法設(shè)計的四個MIMO雷達(dá)波形，每個波形碼元長度均為128 ;ΜΙΜ0雷達(dá)系統(tǒng)是由4個發(fā)射天線和12個接收天線構(gòu)成，發(fā)射天線的排列形式為均勻線陣，接收天線的排列形式也為均勻線陣，發(fā)射天線間的間距和接收天線間的間距均為半個波長。根據(jù)給定的這組MMO雷達(dá)波形S，對MMO雷達(dá)波形S進(jìn)行自相關(guān)和互相關(guān)運算得到這四個MMO雷達(dá)波形的距離旁瓣和互相關(guān)旁瓣，對求得的距離旁瓣和互相關(guān)旁瓣取模值和歸一化后畫成三維圖形，如圖2所示。圖2中的標(biāo)注相關(guān)組合表示第m個和第η個波形的相關(guān)組合對應(yīng)的相關(guān)組合數(shù)為n+(m-l) XM,圖3、圖4和圖7中的標(biāo)注相關(guān)組合的含義與此相同，其中M表示MMO雷達(dá)波形S包含的波形個數(shù)。由圖2可知，這四個MMO雷達(dá)波形的距離旁瓣和互相關(guān)旁瓣都很低，符合MMO雷達(dá)波形低距離旁瓣和低互相關(guān)旁瓣的設(shè)計準(zhǔn)則。仿真2，四個不同方向目標(biāo)回波的距離旁瓣和互相關(guān)旁瓣。本仿真中使用的MIMO雷達(dá)波形和雷達(dá)系統(tǒng)與仿真I中的設(shè)置相同。仿真中另外設(shè)定了四個不同方向的目標(biāo)，這四個方向?qū)?yīng)的歸一化角頻率分別為-0. 3Hz、-0. 1Hz,0.1Hz和0. 3Hz。根據(jù)目標(biāo)參數(shù)求得四個不同方向的目標(biāo)回波，對目標(biāo)回波進(jìn)行自相關(guān)和互相關(guān)運算得到這四個方向目標(biāo)回波的距離旁瓣和互相關(guān)旁瓣，對求得的距離旁瓣和互相關(guān)旁瓣取模值和歸一化后畫成三維圖形，如圖3所示。通過對比圖2和圖3可知，不同方向目標(biāo)回波的距離旁瓣和互相關(guān)旁瓣明顯高于原始MMO雷達(dá)波形的距離旁瓣和互相關(guān)旁瓣。仿真3，考慮接收端波束形成時的距離旁瓣和互相關(guān)旁瓣。本仿真中的參數(shù)設(shè)置與仿真2中的設(shè)置相同。在本仿真中增加了 MMO雷達(dá)接收端波束形成這一步驟，對仿真2中的四個目標(biāo)回波使用典型的Capon波束形成算法進(jìn)行波束形成，對波束形成后的目標(biāo)回波進(jìn)行自相關(guān)和互相關(guān)運算得到目標(biāo)回波的距離旁瓣和互相關(guān)旁瓣，對求得的距離旁瓣和互相關(guān)旁瓣取模值和歸一化后畫成三維圖形，如圖4所示。通過對比圖3和圖4可知，由于在MMO雷達(dá)接收端進(jìn)行了波束形成，圖4中雷達(dá)回波間的互相關(guān)旁瓣大幅降低。仿真4，隨機空時編碼矩陣調(diào)制后的多普勒維旁瓣。本仿真中使用的MMO雷達(dá)波形和雷達(dá)系統(tǒng)與仿真I中的設(shè)置相同。為了評估隨機空時編碼矩陣方法的效果，在本仿真中另外設(shè)置了一個靜止目標(biāo)，它的歸一化角頻率為0. 3Hz0首先，仿真使用MMO雷達(dá)隨機空時編碼矩陣調(diào)制發(fā)射波形的情況；使用MMO雷達(dá)隨機空時編碼矩陣調(diào)制MIMO雷達(dá)波形，根據(jù)目標(biāo)參數(shù)得到目標(biāo)回波，對目標(biāo)回波進(jìn)行匹配處理和相參積累后得到目標(biāo)的多普勒旁瓣，取一個歸一化角頻率為0. 3Hz，在多普勒維有5個快拍移動的多普勒旁瓣，對這個多普勒旁瓣取模值和歸一化后畫成二維圖形，如圖5中的虛線波形所示。其次，仿真沒有使用MMO雷達(dá)隨機空時編碼矩陣調(diào)制發(fā)射波形的情況，根據(jù)MMO雷達(dá)波形和得到目標(biāo)參數(shù)得到目標(biāo)回波，剩余步驟與上述情況相同，結(jié)果如圖5中的實線波形所示。由圖5可知，由于使用了隨機空時編碼調(diào)制方法，多普勒旁瓣峰值水平大幅降低，從原來的-21. 14dB降為現(xiàn)在的-36. 62dB。仿真5，隨機空時編碼矩陣調(diào)制后的距離旁瓣。本仿真中的參數(shù)設(shè)置與仿真4中的設(shè)置相同。首先，根據(jù)仿真4中第一種情況中得到的相參積累后的目標(biāo)多普勒旁瓣，根據(jù)目標(biāo)的空間頻率和多普勒旁瓣得到目標(biāo)的距離旁瓣，對目標(biāo)的距離旁瓣取模值和歸一化后畫成二維圖形，如圖6中的虛線波形所示。其次，根據(jù)仿真4中的第二種情況按照上述相同的步驟，得到的結(jié)果如圖6中的實線波形所示。由圖6可知，由于使用了隨機空時編碼調(diào)制方法，距離旁瓣峰值水平大幅降低，從原來的-20. 76dB降為現(xiàn)在的-30. 12dB。仿真6，隨機空時編碼矩陣調(diào)制后的距離角度旁瓣。
本仿真中的參數(shù)設(shè)置與仿真2中的設(shè)置相同。使用MMO雷達(dá)隨機空時編碼矩陣調(diào)制發(fā)射波形，根據(jù)四個目標(biāo)的參數(shù)得到目標(biāo)的回波，對四個目標(biāo)回波進(jìn)行匹配處理和相參積累，對相參積累后的四個目標(biāo)回波進(jìn)行自相關(guān)和互相關(guān)運算得到四個目標(biāo)回波的距離旁瓣和互相關(guān)旁瓣，對四個目標(biāo)回波的距離旁瓣和互相關(guān)旁瓣取模值和歸一化后畫成三維圖形，如圖7所示。通過對比圖3和圖7可知，本發(fā)明隨機空時編碼方法可以大幅降低相參積累后雷達(dá)回波的距離旁瓣和互相關(guān)旁瓣。
權(quán)利要求
1.一種基于隨機空時編碼的集中式MIMO雷達(dá)旁瓣壓縮方法，包括如下步驟 1)給定一組低旁瓣的MMO雷達(dá)波形S； 2)MIMO雷達(dá)在第i次發(fā)射時，隨機產(chǎn)生一個滿足恒模調(diào)制的MMO雷達(dá)隨機空時編碼矩陣Ei 2a )隨機產(chǎn)生M個在(T2 上均勻分布的實數(shù)記為列向量r，得到列向量= exp (j * r)，根據(jù)？;得到一個MMO雷達(dá)隨機相位對角矩陣，記為diag(f,)，其中，M為發(fā)射天線的個數(shù)，diag( )表示以輸入為對角元素的對角矩陣； 2b)隨機產(chǎn)生一個MMO雷達(dá)隨機置換矩陣Pi ； 2c)根據(jù)步驟2a)和步驟2b)得到的MMO雷達(dá)隨機相位對角矩陣diag(f,)和MIMO雷達(dá)隨機置換矩陣Pi,得到一個MMO雷達(dá)隨機空時編碼矩陣E; = P,.*diag((p,域E, =diag((|)>P,.； 3)用MIMO雷達(dá)隨機空時編碼矩陣Ei對MIMO雷達(dá)波形S進(jìn)行調(diào)制，并發(fā)射調(diào)制后的波形 S' =EiS; 4)MIM0雷達(dá)接收第i次發(fā)射信號的回波，基于步驟3)中調(diào)制后的波形S'對回波進(jìn)行匹配處理； 5)MM0雷達(dá)積累最近的N次匹配處理后的回波并進(jìn)行相參積累，最終從整體上降低信號的旁瓣電平，其中，N為進(jìn)行相參積累的脈沖重復(fù)周期個數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于隨機空時編碼的集中式MIMO雷達(dá)旁瓣壓縮方法，主要解決現(xiàn)有方法不能進(jìn)一步壓低MIMO雷達(dá)波形旁瓣的問題。其過程是(1)給定一組低旁瓣的MIMO雷達(dá)波形；(2)隨機產(chǎn)生一個滿足恒模調(diào)制的MIMO雷達(dá)隨機空時編碼矩陣；(3)用MIMO雷達(dá)隨機空時編碼矩陣對MIMO雷達(dá)波形調(diào)制后發(fā)射調(diào)制波形；(4)MIMO雷達(dá)接收回波并進(jìn)行匹配處理；(5)MIMO雷達(dá)積累多次匹配處理后的回波進(jìn)行相參積累。本發(fā)明具有易于實現(xiàn)以及能夠大幅壓低雷達(dá)回波旁瓣的優(yōu)點；可用于壓縮MIMO雷達(dá)回波的旁瓣。
文檔編號G01S7/28GK102998657SQ20121049329
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月27日
發(fā)明者劉宏偉, 周生華, 臧會凱, 戴奉周, 糾博 申請人:西安電子科技大學(xué)