本发明专利技术公开了一种通过设计发射波形提高MIMO-STAP检测性能的方法，并提出基于对角加载将此波形优化问题松弛为SDP问题，从而可以利用凸优化方法进行求解。其实现步骤包括：（1）建立MIMO-STAP模型以获得感兴趣距离环内空时快拍表述；（2）杂波高斯分布，且与干扰不相关条件下获得最优MIMO-STAP处理器条件下输出SINR表述；（3）在发射波形能量约束下表述提高系统检测性能的波形优化问题；（4）基于对角加载方法求解波形优化问题。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种通过设计发射波形提高MIMO-STAP检测性能的方法，并提出基于对角加载将此波形优化问题松弛为SDP问题，从而可以利用凸优化方法进行求解。其实现步骤包括：（1）建立MIMO-STAP模型以获得感兴趣距离环内空时快拍表述；（2）杂波高斯分布，且与干扰不相关条件下获得最优MIMO-STAP处理器条件下输出SINR表述；（3）在发射波形能量约束下表述提高系统检测性能的波形优化问题；（4）基于对角加载方法求解波形优化问题。【专利说明】—种提高MIMO-STAP检测性能的波形优化方法
本专利技术属于信号处理领域，更进一步涉及一种提高MMO-STAP检测性能的波形优化方法。与之前通过考虑接收端加权以改善系统检测性能的传统空时自适应处理(STAP)方法不同，本专利技术所提方法考虑发射端，通过优化波形最大化输出信干噪比(SINR)，从而提高系统检测性能。由于输出SINR是关于发射波形非常复杂的非线性函数，非常难以求解。由此，本专利技术提出一种新的基于对角加载(DL)的方法可将此非线性优化问题转化为半正定规划(SDP)问题，从而可利用成熟的优化工具箱得到高效求解。
技术介绍
目标检测是雷达系统的一项基本任务。为改善系统检测性能，在相控阵系统中，研究人员基本上把注意力放在接收端，即研究如何利用加权的方法提高系统检测性能，而对发射端基本不做过多考虑。随着MMO雷达成为越来越多研究人员关注的焦点，一些学者开始研究基于MMO雷达的目标检测。经过最近几年的研究，MMO雷达相对于相控阵雷达在目标检测上的优势逐渐为人们所认识，这种优势来自于波形分集在统计MMO雷达系统中的性能类似于MMO通信中衰落信道上的多径分集，从而能够显著提高系统的检测性能。然而，与传统的相控阵雷达相似，近年来，多数研究人员主要通过对MMO雷达接收端的处理来提高系统检测性能，而对于发射端，则只简单要求发射不相关波形(或者正交波形)。通过发射端或者发射端与接收端联合处理以改善检测性能的研究则甚少见诸于文献。B.Friedlander首先研究了发射波形对系统检测性能的影响，并以输出信干噪比(SINR)为目标函数，利用基于梯度的方法以及其他几类次优方法优化波形以最大化输出SINR，从而改善系统检测性能。需要指出的是，此文献中基于梯度的方法需要考虑步长选择，并且不能保证迭代的每一步中SINR非递减，因而所提方法不能保证收敛。针对此问题，C.Y.Chen等提出一种新的迭代方法对发射波形以及接收滤波器进行联合优化。此方法能够保证收敛，并且能够确保在迭代的每一步，目标函数值非递减。空时自适应处理(STAP)是从上个世纪九十年代初发展起来的，用于对机载雷达(airborne radar)数据进行处理的技术。STAP技术在军事和民用中都有着广泛的应用，比如，地质监测，预警，地面动目标检测(GMTI )，动目标检测(MTI )，区域侦查等。对于传统的相控阵雷达，STAP基础理论研究已相当成熟。许多用于改善STAP复杂性以及收敛性的算法业已被提出。这些算法稍微经过修改就可以应用于MMO雷达。D.ff.Bliss以及K.W.Forsythe提出了 MM0-STAP的概念。由于MMO-STAP是最近几年才提出的新概念，相关的文献还比较少。C.Y.Chen等人提出一种新的估计杂波子空间的方法，此方法利用了问题的几何特点以及干扰协方差矩阵特殊的块对角结构，从而与全域自适应方法相比可以显著降低计算复杂度。在一般发射波形的场景下，WangG.等深入研究了 MIMO-STAP的杂波秩与发射波形的关系，并给出确定杂波秩的准则。虽然B.Friedlander以及C.Y.Chen通过优化发射波形提高MMO雷达的检测性能，然而并没有将此思想应用于MMO-STAP中。而WangG.虽然对MMO-STAP进行了较为深入的研究，然而也仅限于接收端的数据处理。针对此问题，本专利技术考虑通过波形优化提高MIMO-STAP检测性能。
技术实现思路
针对以上所述问题，本专利技术考虑通过波形优化提高MMO-STAP检测性能。由于在高斯噪声环境下，可以证明最大化检测概率等价于最大化输出SINR。因此，在本专利技术中，我们以输出SINR为代价函数，通过优化波形最大化输出SINR，从而提高系统检测性能。然而，由于输出SINR是关于波形的高度非线性函数，因而此优化问题比较难以求解。针对此问题，本专利技术提出一种新的基于对角加载(DL)的方法可将此非线性优化问题转化为半正定规划(SDP)问题，从而可以得到非常有效的求解。具体步骤包含如下: (1)建立MMO-STAP模型 la) MIMO-STAP接收信号描述 考虑如说明书附图之图1所示MMO-STAP场景。此场景中，MMO雷达的发射阵列和接收阵列均为均匀线阵，且平行放置，阵元数分别为和F，阵元间距分别为4和4。雷达平台沿平行于发射、接收阵列的方向匀速直线飞行，飞行高度和速度分别为A和V。目标沿与发射、接收阵列法线夹角为母的直线匀速运动，速度为I且与雷达平台处于同一平面。在一个相干处理间隔(CPI)内，各发射阵元同时辐射由I个脉冲组成的脉冲串波形，且脉冲重复间隔(PRI)力，将距离环离散化为Nc(Nc>>NML)个小单元,则第I个PRI内的接收数据可表示为:【权利要求】1.一种提高MIMO-STAP检测性能的波形优化方法，其特征在于，包括如下步骤: (I)建立MMO-STAP模型 la) MIM0-STAP接收信号描述 MIMO雷达的发射阵列和接收阵列均为均匀线阵，且平行放置，阵元数分别为Af和F，阵元间距分别为尖和4 ,雷达平台沿平行于发射、接收阵列的方向匀速直线飞行，飞行高度和速度分别为.%和、^目标沿与发射、接收阵列法线夹角为4的直线匀速运动，速度为'，且与雷达平台处于同一平面，在一个相干处理间隔(CPI)内，各发射阵元同时辐射由1.个脉冲组成的脉冲串波形，且脉冲重复间隔(PRI)为T，将距离环离散化为Nc (Nc-^NMH)个小单元，则第I个PRI内的接收数据可表示为: 【文档编号】G01S7/42GK104020459SQ201410039743【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年1月28日 优先权日:2014年1月28日 【专利技术者】王洪雁, 裴炳南, 刘艳, 白云峰, 裴腾达 申请人:大连大学本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种提高MIMO‑STAP检测性能的波形优化方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）建立MIMO‑STAP模型1a) MIMO‑STAP接收信号描述MIMO雷达的发射阵列和接收阵列均为均匀线阵，且平行放置，阵元数分别为和，阵元间距分别为和，雷达平台沿平行于发射、接收阵列的方向匀速直线飞行，飞行高度和速度分别为和，目标沿与发射、接收阵列法线夹角为的直线匀速运动，速度为，且与雷达平台处于同一平面，在一个相干处理间隔（CPI）内，各发射阵元同时辐射由个脉冲组成的脉冲串波形，且脉冲重复间隔（PRI）为，将距离环离散化为个小单元，则第个PRI内的接收数据可表示为：式中，和分别表示目标以及位于的杂波发射导向矢量；和分别表示目标以及位于的杂波的接收导向矢量；，，，，以及；表示每个PRI内发射波形矩阵；为第个发射阵元在每个PRI内发射的复基带信号的离散形式，为波形采样数；和分别为所考虑的距离环内目标的复幅度以及位于的杂波反射系数；为波形中心波长；，表示第个接收阵元在第个PRI内接收的干扰以及噪声，可假设的每一列独立同分布，且服从于均值为0，方差为的循环对称复高斯分布；1b)感兴趣距离环内空时快拍表述为得到用于目标检测的统计量，利用作为匹配滤波器，则相应矢量化的匹配输出可表示如下：式中，；即为波形协方差矩阵（WCM），由上式可得距离环内总的空时快拍为：式中，和分别为目标以及位于的杂波的多普勒导向矢量；表示元素全部为1的维矢量；且；（2）输出SINR表述2a）最优MIMO‑STAP处理器条件下输出SINR表述对于最优的MIMO‑STAP处理器，输出SINR可表示为：式中，2b）杂波高斯分布，且与干扰不相关条件下输出SINR表述简化在杂波与干扰加噪声项不相关以及独立同分布，且服从均值为0，方差为的高斯分布条件下，输出SINR可简化为如下表达式：式中，；；；；；；且；（3）波形优化问题表述高斯噪声环境下，可以证明最大化检测概率等价于最大化输出信杂噪比，由此，基于以上分析可得，在发射总功率约束下，最大化检测概率的波形优化问题可表述为式中，代表发射总功率；（4）基于DL方法的波形优化问题求解4a）基于DL方法的正定化由于，，无法确定的性质，因此，可以看出，上述优化问题中目标函数，即SINR，为关于优化变量比较复杂的非线性函数，从而，对于此优化问题，不能够利用凸优化方法来解，而如果利用其他数值方法，比如梯度法，就可能产生收敛的问题，针对此问题，对利用通常应用于稳健波束形成的对角加载方法，可得式中即所谓的加载因子（loading factor），表示矩阵的最大特征值；4b）基于正定化简化输出SINR将代入输出SINR表达式，并利用矩阵求逆定理，可得4c）基于凸优化求解波形优化问题基于上述讨论，波形优化问题可等价表示为如下SDP问题：式中，为辅助优化变量，从而，此波形优化问题可利用诸多成熟优化工具箱获得高效求解。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王洪雁，裴炳南，刘艳，白云峰，裴腾达，
申请(专利权)人：大连大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21
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