一種基于模式搜索算法的多波形相位編碼方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及雷達(dá)波形編碼方法。
【背景技術(shù)】
[0002] MIM0雷達(dá)與傳統(tǒng)的相控陣?yán)走_(dá)相比，具有更大的孔徑、更好的分辨力、檢測(cè)性能和 自適應(yīng)的波束形成能力。因此，需要設(shè)計(jì)滿足要求的多波形應(yīng)用于MIM0雷達(dá)。另外，設(shè)計(jì) 隨著近年來(lái)軍事裝備的發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中大量應(yīng)用隱身飛行器、無(wú)人機(jī)和巡航導(dǎo)彈等低反 射截面積（RC巧飛行器，目標(biāo)回波能量顯著減小，嚴(yán)重降低了雷達(dá)的探測(cè)性能。為了通過(guò)提 高信噪比來(lái)改善雷達(dá)探測(cè)性能，典型的方法有脈沖壓縮，但此方法會(huì)產(chǎn)生較高的距離旁瓣， 包括自相關(guān)芳瓣和互相關(guān)芳瓣。
[0003] 通過(guò)設(shè)計(jì)具有低自相關(guān)和互相關(guān)旁瓣的波形，能夠減小旁瓣對(duì)檢測(cè)性能的影響， 但采用優(yōu)化方法抑制全部距離旁瓣的能力有限。在某些實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)已知先驗(yàn)信息 抑制某些時(shí)間間隔的距離旁瓣，降低優(yōu)化難度，得到更低的距離旁瓣。另外，恒模波形不僅 可W增加發(fā)射功率，而且易于硬件實(shí)現(xiàn)。因此，設(shè)計(jì)具有恒模特性且能夠優(yōu)化特定時(shí)間間隔 自相關(guān)和互相關(guān)旁瓣的多波形具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)特定延 時(shí)區(qū)間上具有好的自相關(guān)和互相關(guān)特性的多波形設(shè)計(jì)已經(jīng)做了一些研究，文獻(xiàn)"Designing unimodularsequencesetswithgoodcorrelations-Includinganapplicationto MIMOradar，IE邸transactionsonsi即alprocessing, 57(11) :4391_4405, 2009"提出 WeCAN算法，通過(guò)循環(huán)迭代設(shè)計(jì)在特定延時(shí)區(qū)間具有低的自相關(guān)和互相關(guān)旁瓣的多波形，但 此算法收斂速度慢，需要很多的迭代次數(shù)，降低了運(yùn)算效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提出了一種基于模式捜索算法的多波形相位編碼 方法，能夠W較小的計(jì)算量得到在特定延時(shí)區(qū)間具有低自相關(guān)和互相關(guān)旁瓣的恒模多波 形，提高波形編碼的效率。
[0005] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是，先根據(jù)需要抑制的自相關(guān)和互 相關(guān)旁瓣區(qū)域構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)。將多維優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一維捜索，化簡(jiǎn)目標(biāo)函數(shù)，然后用模式 捜索算法進(jìn)行優(yōu)化；經(jīng)過(guò)多次迭代可W得到具有好的相關(guān)特性的波形。因而本發(fā)明一種基 于模式捜索算法的多波形相位編碼方法，包括W下步驟：
[0006] 步驟1:初始化參數(shù)；
[0007] 假設(shè)MIM0雷達(dá)發(fā)射的M個(gè)長(zhǎng)度均為N的相位編碼信號(hào)相位集〇 = [4)1，…，4M]， 其中4m，m= 1，2, 一M是一個(gè)長(zhǎng)度為N列向量，表示第m個(gè)長(zhǎng)度為N的波形的相位，則第 m個(gè)信號(hào)可表示為：
[0008]
[000引其中（l)m(n) 《n)是第m個(gè)信號(hào)的第n個(gè)子脈沖的相位對(duì)相位矩陣 ?初始化為符合獨(dú)立高斯分布的隨機(jī)變量；
[0010] Sm，m= 1，…，M的自相關(guān)旁瓣向量為I'm似，k= -(N-1),…N-1，對(duì)應(yīng)的自相關(guān)函 數(shù)旁瓣加權(quán)Wk,k= 1，…，N-1 ;Sm,m= 1，…，M與Si,1 = 1，…，M,m聲1的互相關(guān)函數(shù)為 ；Tmi〇0，k= -(N-1), ???N-1，對(duì)應(yīng)的互相關(guān)函數(shù)旁瓣加權(quán)Vk，k= -(N-1),…，N-1 ;加權(quán)系數(shù) Wk,k= 1,…，N-1和Vk,k= - (N-1),…，N-1是根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景確定的；
[0011] 步驟2用模式捜索算法求解波形相位；
[00哨 2. 1、代價(jià)函數(shù)
[0013] 將指定延時(shí)區(qū)間內(nèi)自相關(guān)和互相關(guān)旁瓣的加權(quán)和作為目標(biāo)函數(shù)。因此目標(biāo)函數(shù)表 示為
[0014]
[0015] 2. 2、化簡(jiǎn)代價(jià)函數(shù)
[0016] 當(dāng)改變Sm的第n個(gè)相位，使其有相位增量A4時(shí)，則目標(biāo)函數(shù)中只有Sm的自相關(guān) 函數(shù)和與其有關(guān)的互相關(guān)函數(shù)部分發(fā)生變化；只對(duì)目標(biāo)函數(shù)變化的部分進(jìn)一步化簡(jiǎn)，獲得 目標(biāo)函數(shù)為關(guān)于相位增量A4的=角函數(shù)的形式
[0023] 其中Re{ ? }表示取實(shí)部，Im{ ? }表示取虛部。
[0024]
[00幼其中向量屯,m,n，qc,m,n是兩個(gè)與=^S,"《第n行和第n列元素有關(guān)的（N-1)X1 向量
[0026]
[002引 Qmi,n是一個(gè)與A,,,/ =如,"sf的第n行元素有關(guān)的（2N-1)X1向量
[0030]
[0031]hmi, n化）=Tmi化）-Qml, n化+腳[0032] 2. 3 :模式捜索法計(jì)算最優(yōu)解
[003引對(duì)巫中的每個(gè)相位4m(n)，m=1，…，M;n=1，…，N，設(shè)其相位增量為A4，求出 目標(biāo)函數(shù)艾，求解出使目標(biāo)函數(shù)最小的A4%更新相位，即用4m(n) +A4*代替原來(lái)的 相位4m(n);
[0034] 2. 4 :重復(fù)步驟2. 2、2. 3,直到滿足停止準(zhǔn)則為止；停止準(zhǔn)則可W為迭代次數(shù)或前 后兩次迭代優(yōu)化變量的變化（II巫'-巫II<e，e為常數(shù)）。
[0035]本發(fā)明設(shè)計(jì)自相關(guān)和互相關(guān)函數(shù)特定區(qū)域具有凹槽的多個(gè)波形，將多維優(yōu)化問(wèn)題 轉(zhuǎn)化為一維捜索，簡(jiǎn)化了目標(biāo)函數(shù)，從而具有收斂速度快，計(jì)算量小的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0036] 圖1基于模式捜索的多波形優(yōu)化流程簡(jiǎn)圖；
[0037]圖2基于模式捜索的多波形設(shè)計(jì)流程圖；
[0038] 圖3 (a)優(yōu)化波形1化）優(yōu)化波形2(C)優(yōu)化波形3基于模式捜索算法和WeCAN算 法優(yōu)化波形的自相關(guān)函數(shù)對(duì)比圖；
[0039] 圖4 (a)優(yōu)化波形1和3化）優(yōu)化波形1和2(C)優(yōu)化波形2和3波形基于模式捜 索算法和WeCAN算法優(yōu)化波形的互相關(guān)函數(shù)對(duì)比圖；
[0040] 圖5基于模式捜索算法和WeCAN算法優(yōu)化波形收斂曲線對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0041] 本發(fā)明主要采用計(jì)算機(jī)仿真的方法進(jìn)行驗(yàn)證，所有步驟、結(jié)論都在MTLAB-R2010a 上驗(yàn)證正確。具體實(shí)施步驟如下：
[0042] 步驟1初始化參數(shù)：
[0043] 波形個(gè)數(shù)為M= 3,每個(gè)波形的碼片個(gè)數(shù)為N= 100 ;自相關(guān)函數(shù)旁瓣加權(quán)為
[0044]
[0045] 互相關(guān)函數(shù)旁瓣加權(quán)為
[0046]
[0047] 基于模式捜索算法（簡(jiǎn)稱(chēng)PS算法）的迭代次數(shù)為1000次，WeCAN算法的迭代次 數(shù)為1〇5次。
[0048] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是降低了優(yōu)化波形的計(jì)算量，可有效獲得特定延時(shí)區(qū)間的低距離旁 瓣，改善目標(biāo)檢測(cè)性能。本發(fā)明可應(yīng)用于雷達(dá)波形設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。
[0049] 仿真實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)PS算法和WeCAN算法得到的優(yōu)化波形的自相關(guān)函數(shù)對(duì)比結(jié)果如 圖3所示，其互相關(guān)函數(shù)對(duì)比結(jié)果如圖4所示。圖3和圖4表明PS算法和WeCAN算法都能 有效設(shè)計(jì)在特定延時(shí)區(qū)間有低距離旁瓣的波形，且PS算法優(yōu)化波形距離旁瓣略優(yōu)于WeCAN 算法優(yōu)化波形。圖5表明兩種算法目標(biāo)函數(shù)收斂曲線對(duì)比圖，可W看出WeCAN算法比PS算 法的收斂速度慢很多；PS算法進(jìn)行1000次迭代的優(yōu)化效果比WeCAN算法進(jìn)行105此迭代 的效果好。由于PS算法和WeCAN算法每次迭代所需的計(jì)算量都為0 (MN2)，因此PS算法比 WeCAN算法的計(jì)算量小至少兩個(gè)數(shù)量級(jí)。說(shuō)明與WeCAN算法相比，本發(fā)明可W大大降低計(jì)算 量，提高優(yōu)化效率，特別在實(shí)時(shí)處理的情況下有明顯優(yōu)勢(shì)。
[0050] 通過(guò)本發(fā)明的具體實(shí)施可W看出，本發(fā)明能夠有效優(yōu)化發(fā)射波形，優(yōu)化波形的自 相關(guān)和互相關(guān)函數(shù)在特定的延時(shí)區(qū)間內(nèi)具有低旁瓣。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于模式搜索算法的多波形相位編碼方法，包括以下步驟： 步驟1 :初始化參數(shù)； 假設(shè)MMO雷達(dá)發(fā)射的M個(gè)長(zhǎng)度均為N的相位編碼信號(hào)相位集Φ = [(J)1，…，ΦΜ]，其 中（^，m = 1，2,…M是一個(gè)長(zhǎng)度為N列向量，表示第m個(gè)長(zhǎng)度為N的波形的相位，則第m 個(gè)信號(hào)可表示為：其中（^?(-31 < (J)ni (n)彡π)是第m個(gè)信號(hào)的第n個(gè)子脈沖的相位；對(duì)相位矩陣 Φ初始化為符合獨(dú)立高斯分布的隨機(jī)變量； sm, m = 1，…，M的自相關(guān)旁瓣向量Srm(k)，k = - (Ν-1),…Ν-1，對(duì)應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)旁瓣 加權(quán)wk, k = 1，…，N-I ;sm, m = 1，…，M與S1, 1 = 1，…，M, m乒1的互相關(guān)函數(shù)為rml (k)，k =-(N-1), ."N-I,對(duì)應(yīng)的互相關(guān)函數(shù)旁瓣加權(quán)vk，k = -(N-1), .",N-I ;加權(quán)系數(shù)％，讓= 1，…，N-I和vk, k = - (N-I)，…，N-I是根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景確定的； 步驟2用模式搜索算法求解波形相位； 2. 1、代價(jià)函數(shù) 將指定延時(shí)區(qū)間內(nèi)自相關(guān)和互相關(guān)旁瓣的加權(quán)和作為目標(biāo)函數(shù)。因此目標(biāo)函數(shù)表示為2. 2、化簡(jiǎn)代價(jià)函數(shù) 當(dāng)改變Sni的第η個(gè)相位，使其有相位增量△ Φ時(shí)，則目標(biāo)函數(shù)中只有Sni的自相關(guān)函數(shù) 和與其有關(guān)的互相關(guān)函數(shù)部分發(fā)生變化；只對(duì)目標(biāo)函數(shù)變化的部分進(jìn)一步化簡(jiǎn)，獲得目標(biāo) 函數(shù)為關(guān)于相位增量△ Φ的三角函數(shù)的形式 其中其中Re{ · }表示取實(shí)部，Im{ · }表示取虛部。其中向量q^n，q^n是兩個(gè)與^ η行和第η列元素有關(guān)的（N-I)Xl向量2. 3 :模式搜索法計(jì)算最優(yōu)解 對(duì)φ中的每個(gè)相位巾^!!)，!!!=:，"'M5Il=I, "·，Ν，設(shè)其相位增量為Δφ，求出 目標(biāo)函數(shù)天,,》，求解出使目標(biāo)函數(shù)最小的δ φ%更新相位，即用φ JrO + Δ 代替原來(lái)的 相位Φ? ; 2. 4 :重復(fù)步驟2. 2、2. 3,直到滿足停止準(zhǔn)則為止；停止準(zhǔn)則可以為迭代次數(shù)或前后兩 次迭代優(yōu)化變量的變化（Il Φ' -Φ Il〈 ε，ε為常數(shù)）。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于模式搜索算法的多波形相位編碼方法，屬于雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及雷達(dá)波形編碼方法。該編碼方法獲得的多波形的自相關(guān)和互相關(guān)函數(shù)在指定的延時(shí)區(qū)間有低旁瓣水平，解決了現(xiàn)有技術(shù)計(jì)算量大的問(wèn)題。其實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：1.構(gòu)造多維優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)；2.對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行化簡(jiǎn)，用模式搜索算法求解化簡(jiǎn)的目標(biāo)函數(shù)；3.經(jīng)過(guò)多次迭代，直到系統(tǒng)不再接受任何相位改變時(shí)即獲得了滿足相關(guān)特性需求的波形設(shè)計(jì)。該發(fā)明與Weighted？Cyclic？Algorithm？New,WeCAN方法相比，收斂速度快，計(jì)算量小,可有效設(shè)計(jì)出指定的延時(shí)區(qū)間上具有更低的自相關(guān)和互相關(guān)旁瓣的相位編碼多波形。
【IPC分類(lèi)】G01S7/02
【公開(kāi)號(hào)】CN105182292
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510520150
【發(fā)明人】崔國(guó)龍, 楊亞, 李乾, 劉加歡, 易偉, 黎亮, 孔令講, 楊曉波
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年12月23日
【申請(qǐng)日】2015年8月24日