基于射频隐身的MIMO跟踪雷达发射波束的形成方法技术

本发明专利技术提供了一种基于射频隐身的MIMO跟踪雷达发射波束的形成方法，属于通信雷达技术领域。本发明专利技术通过设计正交发射波形的加权系数，在目标方位形成指向波束并在截获接收机方向形成宽的零限；并且，采用离散长球序列方法在目标方向形成宽波束以同时探测较宽的扇区；最后，根据各目标方向的波束增益，使雷达辐射探测目标所需的最小功率。本发明专利技术通过零陷和辐射功率控制提高了MIMO雷达的射频隐身性能，使得MIMO雷达在保证多目标跟踪探测性能的同时，其射频隐身性能也得到了提高。

【技术实现步骤摘要】
基于射频隐身的MIMO跟踪雷达发射波束的形成方法
本专利技术属于通信雷达
，特别涉及MIMO雷达跟踪模式下，基于射频隐身考虑的发射波束形成方法。
技术介绍
在保证雷达任务性能的前提下，降低雷达的发射功率是提高其射频隐身性能的主要手段之一。在工作时，雷达可通过诸如协同传感器获得截获接收机位置信息，若能使雷达辐射的能量分布在截获接收机方向上尽量小，就可以尽可能地降低雷达被截获的概率。当考虑雷达所获得的截获接收机位置存在误差时，为了更好地提高射频隐身性能，有必要使雷达发射波束在截获接收机方向形成宽零陷。MIMO雷达是由多个发射天线独立发射不同的波形，在接收端采用多个天线接收实现探测的雷达系统；MIMO雷达各阵元均发射相互正交的信号，在空间不形成波束。为了在某些空域位置形成类似于相控阵的高增益波束，众多学者在MIMO雷达发射波束形成领域进行了大量的研究。目前，MIMO雷达发射波束的形成方法主要有两种：第一种是首先设计信号的协方差矩阵，再通过得到的协方差矩阵综合出具体部分相关性的发射信号(FuhrmannDR,SanAntonioG.TransmitbeamformingforMIMOradarsystemsusingsignalcross-correlation[J].IEEETransactionsonAerospaceandElectronicSystems,2008,44(1):171-186；SajidAhmed,JohnS.Thompson,YvanR.Petillotetal.UnconstrainedSynthesisofCovarianceMatrixforMIMORadarTransmitBeampattern[J],IEEETransactionsonSignalProcessing,2011,59(8):3837-3849)；这种方法使空域(波束)和时域(信号)耦合在一起，极大地增加了设计的难度。第二种是将发射信号看作一组给定的正交波形的加权和(JohnLipor,SajidAhmedandMohamed-SlimAlouini.Fourier-BasedTransmitBeampatternDesignUsingMIMORadar[J].IEEETransactionsOnSignalProcessing,2014,62(9):2226-2235；SajidAhmedandMohamed-SlimAlouini.MIMORadarTransmitBeampatternDesignWithoutSynthesisingtheCovarianceMatrix[J].IEEETransactionsOnSignalProcessing,2014,62(9):2278-2289)，通过设计加权矩阵来得到期望的方法图；该方法中，无需知道波形的具体形式，只要保证各波形正交即可，但是目前该方法的主要目的是对目标的探测性能的改进，并未涉及雷达的射频隐身性能。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于射频隐身的MIMO跟踪雷达发射波束的形成方法，通过发射多个正交信号，形成子方向图，子方向图波束分别指向各目标；并利用离散长球序列(DiscreteProlateSpheroidalSequences，DPSS)表征侦察设备方向的波束空间，在侦察设备方向估计值附近形成宽的零陷来降低侦察设备所能接收到的雷达信号的功率。本专利技术可在保证MIMO雷达多目标跟踪探测性能的同时，提高MIMO雷达的射频隐身性能。本专利技术的技术方案如下：一种基于射频隐身的MIMO跟踪雷达发射波束的形成方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：假设MIMO雷达发射阵列为包含M个阵元的均匀线阵，根据已获得的截获接收机位置信息，截获接收机出现的角度范围为Θ，按照间隔Δθ对该范围进行离散化处理，利用离散化获得的θi计算得到矩阵B：其中，a(θi)为对应角度θi的导向矢量，θi∈Θ，[·]H表示共轭转置运算；步骤2：对步骤1得到的矩阵B进行特征值分解，在得到的特征值中选取最大的N个特征值，所述N个特征值对应的特征向量作为截获接收机所在区域的等效阵列流形，记为u1,u2,…,uN；步骤3：假设当前时刻雷达跟踪目标的数目为K，对于第k个方向的指向，得到包含其余各目标方向和截获接收机方向的阵列流形的矩阵Ak：Ak＝[a(θ1),a(θ2),…,a(θk-1),a(θk+1),…,a(θK),u1,u2,…,uN],k＝1,2,…,K(2)步骤4：根据式(3)计算得到矩阵Rk：其中，γ为一个可调参数，用于控制波束零陷的深度；步骤5：对于MIMO雷达，选取发射正交波形的个数为当前目标跟踪数目K，则第k个正交发射波形的加权向量可按下式计算：步骤6：根据各个正交发射波形计算得到的加权向量wk，计算各个目标方向上的增益：步骤7：假设为满足跟踪性能要求，第k个目标的期望回波信噪比为Smin(k)，则对于该发射信号，其发射功率为：其中，GR为雷达接收天线增益，λ为雷达信号波长，RT(k)为目标k与雷达之间的距离，Pn为等效噪声功率，σT(k)为目标k的截面积(RCS)。进一步地，步骤2所述最大的N个特征值需满足这N个特征值之和大于或等于所有特征值之和的99.99％。本专利技术的工作原理为：雷达的射频隐身性能可由截获概率来表示，其定义如下(DavidLynchJr.IntroductiontoRFStealth[M].America:SciTechPublishingInc.Press,2004.)：其中，MF表示雷达主瓣覆盖面积(3dB)；PSI表示截获接收机灵敏度；DI表示截获接收机密度；TOT和TI分别表示雷达照射时间与截获接收机搜索时间；C0为灵敏度比例系数，根据孔径类型通常选择0.2或0.477；PR为截获接收机截获的雷达信号功率，根据截获距离方程有式中，PT表示雷达发射功率；GTI表示雷达天线在截获接收机方向上的增益；GI表示截获接收机天线的增益；GIP表示截获接收机的处理增益；RI表示截获距离；λ表示雷达信号波长；LI表示截获接收机损耗。由式(7)可知，与截获概率有关的各雷达参数中，除雷达照射时间TOT、雷达发射功率PT和截获接收机方向上的增益GTI之外，其他参数均取决于截获接收机。在雷达照射时间TOT一定的条件下，即发射功率PT和截获接收机方向上的增益GTI能达到较小截获概率的目的，是本专利技术的出发点。考虑一个具有M个阵元的MIMO雷达系统。给定K(1≤K≤M)个正交波形k＝1,2,…,K，发射信号可表示为这K个正交波形的加权线性组合，即其中，为各正交波形组成的向量，为各列归一化的复加权矩阵，其第k列wk可以看作对应于正交信号的波束形成加权矢量，故式(9)可写为则MIMO雷达发射的信号可表示为其中a(θ)为发射导向矢量，发射方向图可表示为其中PT,k(θ)＝aH(θ)wkwkHa(θ)(13)为第k个正交波形的方向图。从式(12)可以看出，MIMO雷达的发射方向图可看成是K个常规阵元雷达方向图的和。因此，可通过适当的选取正交波形数K，并合理设计各正交波形对应的子方向图，即可得到期望的MIMO雷达发射方向图。假设需要跟踪的目标数为K，截获接收机数量为NI，并假设本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于射频隐身的MIMO跟踪雷达发射波束的形成方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：假设MIMO雷达发射阵列为包含M个阵元的均匀线阵，根据已获得的截获接收机位置信息，截获接收机出现的角度范围为Θ，按照间隔Δθ对该范围进行离散化处理，利用离散化获得的θi计算得到矩阵B：B=Σθi∈Θa(θi)aH(θi)---(1)]]>其中，a(θi)为对应角度θi的导向矢量，θi∈Θ，[·]H表示共轭转置运算；步骤2：对步骤1得到的矩阵B进行特征值分解，在得到的特征值中选取最大的N个特征值，所述N个特征值对应的特征向量作为截获接收机所在区域的等效阵列流形，记为u1,u2,…,uN；步骤3：假设当前时刻雷达跟踪目标的数目为K，对于第k个方向的指向，得到包含其余各目标方向和截获接收机方向的阵列流形的矩阵Ak：Ak＝[a(θ1),a(θ2),…,a(θk‑1),a(θk+1),…,a(θK),u1,u2,…,uN],k＝1,2,…,K       (2)步骤4：根据式(3)计算得到矩阵Rk：Rk=γ2I+AkAkH,k=1,2,...,K---(3)]]>其中，γ为可调参数，用于控制波束零陷的深度；步骤5：选取发射正交波形的个数为当前目标跟踪数目K，则第k个正交发射波形的加权向量可按下式计算：wk=Rk-1a(θk),k=1,2,...,K---(4)]]>步骤6：根据各个正交发射波形计算得到的加权向量wk，计算各个目标方向上的增益：GT(θk)=Σk=1KaH(θk)wkwkHa(θk),k=1,2,...,K---(5)]]>步骤7：假设为满足跟踪性能要求，第k个目标的期望回波信噪比为Smin(k)，则对于该发射信号，其发射功率为：PT(k)=(4π)3PnSmin(k)GRλ2·RT4(k)GT(θk)σT(k)---(6)]]>其中，GR为雷达接收天线增益，λ为雷达信号波长，RT(k)为目标k与雷达之间的距离，Pn为等效噪声功率，σT(k)为目标k的截面积。...

【技术特征摘要】
1.一种基于射频隐身的MIMO跟踪雷达发射波束的形成方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：假设MIMO雷达发射阵列为包含M个阵元的均匀线阵，根据已获得的截获接收机位置信息，截获接收机出现的角度范围为Θ，按照间隔Δθ对该范围进行离散化处理，利用离散化获得的θi计算得到矩阵B：其中，a(θi)为对应角度θi的导向矢量，θi∈Θ，[·]H表示共轭转置运算；步骤2：对步骤1得到的矩阵B进行特征值分解，在得到的特征值中选取最大的N个特征值，所述N个特征值对应的特征向量作为截获接收机所在区域的等效阵列流形，记为u1,u2,…,uN；步骤3：假设当前时刻雷达跟踪目标的数目为K，对于第k个方向的指向，得到包含其余各目标方向和截获接收机方向的阵列流形的矩阵Ak：Ak＝[a(θ1),a(θ2),…,a(θk-1),a(θk+1),…,a(θK),u1,u2,…,uN],k＝1,2,…,K(2)步骤4：根据式(3)计算得到矩阵Rk：其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：程婷，武俊青，杨少委，张宇轩，张洁，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51