一种FDA‑MIMO雷达中基于循环优化的发射波束矩阵设计方法技术

本发明专利技术提供一种FDA‑MIMO雷达中基于循环优化的发射波束矩阵设计方法。频控阵通过相邻阵元增加一个较小的频率增量，可以产生具有角度和距离依赖性发射波束，这为目标的角度和距离参数联合定位提供可能。本发明专利技术利用这一特性，结合频控阵和MIMO雷达，通过优化设计发射波束矩阵，实现多个目标的距离和角度的联合估计。首先依据实际需求和频控阵MIMO雷达系统的特点，确定发射载波、频率增量、发射接收天线数，建立频控阵MIMO雷达系统模型，其次利用循环优化方法，设计雷达的发射波束矩阵；最后基于发射波束矩阵，验证估计距离、角度和幅度的性能。本质上是最小化稀疏模型中感知矩阵的互相干准则，以提高距离和角度维分辨率。

A beamforming matrix design method based on FDA loop optimization in MIMO radar

The invention provides a beamforming matrix design method based on FDA loop optimization in MIMO radar. The frequency controlled array can generate an angular and distance dependent transmitting beam by adding a smaller frequency increment to the neighboring element, which provides the joint location of the angle and distance parameters of the target. The invention combines the frequency control array and the MIMO radar, and realizes the joint estimation of the distance and the angle of the multiple targets by optimizing the design of the transmitting beam matrix. The control characteristics of array MIMO radar system based on the actual needs and determine the frequency, carrier frequency increment, and transmitting and receiving antenna number, a frequency phased array MIMO radar system model, then using the cyclic optimization method, the beamforming matrix design of radar; finally, based on the emission beam matrix, verify the estimation performance of distance, angle and amplitude. In essence, the mutual criteria of the sensing matrix in the sparse model are minimized to improve the range and angle resolution.

【技术实现步骤摘要】
一种FDA-MIMO雷达中基于循环优化的发射波束矩阵设计方法
本专利技术属于雷达通信
，是一种新体制多输入多输出雷达中的波形设计方法，具体为一种FDA-MIMO雷达中基于循环优化的发射波束矩阵设计方法。
技术介绍
频控阵(Frequencydiversearray，FDA)中相邻阵元存在一个较小的频率增量，这使得频控阵波束形成器的波束扫描角随着距离而变化。频控阵雷达波束具有的角度和距离依赖性，为目标的距离和角度参数联合定位提供可能。虽然频控阵的发射波束与目标的方位角和距离有关，但其能量辐射呈独特的“S”形状，这使得频控阵的波束形成在距离和方位角向上存在耦合问题。结合MIMO(multiple-inputmultiple-output)雷达，Sammartino等提出了一种基于频控阵的MIMO雷达技术，见[SammartinoPF,BakerCJ,andGriffithsHD.FrequencydiverseMIMOtechniquesforradar.IEEETransactionsonAerospaceandElectronicSystems,2013,49(1):201-222.]，该文考虑了将波形复用和FDA应用到了双站雷达系统中，通过仿真验证了FDA雷达获取目标的距离和角度是可能的。为了实现距离和角度估计，王文钦博士提出了频控阵的发射子孔径设计方案，见[WangWQ,andSoHC.Transmitsubaperturingforrangeandangleestimationinfrequencydiversearrayradar.IEEETransactionsonSignalProcessing,2014,62(8):2000-2011.]，其本质上是将发射阵列划分成多个子阵，并利用凸优化理论优化发射方向图矩阵。。结合空时自适应处理(SpaceTimeAdaptiveProcessing,STAP)，许京伟博士提出了基于频率分集阵列STAP雷达的距离模糊杂波分离与抑制方法，见[许京伟,廖桂生.前视阵FDA-STAP雷达距离模糊杂波抑制方法.雷达学报,2015,4(4):386-392.]，该方法利用频率分集阵列发射导向矢量的距离角度2维依赖性，通过空间频率域子空间投影实现距离模糊杂波的分离。但是，以上的频控阵MIMO雷达系统中，获得高分辨估计需要更多的发射波形和快拍数，结果产生了更高的信号处理复杂度。
技术实现思路
基于
技术介绍
存在的问题，本专利技术提供一种FDA-MIMO雷达中基于循环优化的发射波束矩阵设计方法，其技术思想是：根据频控阵MIMO通过相邻阵元增加一个较小的频率增量，可产生具有角度和距离依赖性发射波束，这一特性为目标的角度和距离参数联合定位提供可能。利用该特性，通过优化设计发射波束矩阵，实现多个目标的距离和角度的联合估计。其本质上是最小化稀疏模型中感知矩阵的互相干准则，以获得目标的角度和距离参数联合估计，同时提高距离和角度维分辨率。由于该设计问题是发射波束矩阵的非凸四次函数，故本专利技术提供一种基于类功率法的循环优化方法。本专利技术采用如下技术方案实现：一种FDA-MIMO雷达中基于循环优化的发射波束矩阵设计方法，包括以下步骤：步骤1、使用随机矩阵初始化发射波束矩阵，初始化矩阵为单位矩阵；步骤2、根据式(15)求解半酉矩阵U；式(15)如下：其中，表示KMr×D阶的复矩阵；表示D×D的复矩阵；K为正交波形的信号矢量个数；Mr为接收天线的个数；D＝P×L，P和L分别表示距离单元数和角度单元数；步骤3、根据式(19)中类功率迭代法求解接收波束矩阵W；式(19)如下：其中，表示(K+Mt)Mr×(K+Mt)Mr阶的单位矩阵，参数λ取大于C的最大特征值，W(i+1)为第i+1次迭代得到的接收波束矩阵；表示KMr×KMr阶的单位矩阵，A2＝AAH，A是MtMr×D,(MtMr＜D)的矩阵，Et表示每个天线上的发射能量；表示MtMr×MtMr阶的单位矩阵；Mt为发射天线的个数；步骤4、根据式(20)求解发射波束矩阵式(20)如下：为矩阵的第(m,n)个元素，对于给定的接收波束矩阵W，是W的一个子阵，为W[(n-1)Mr+1:nMr,(m-1)Mr+1:mMr]，E(·)表示取期望值，diag(·)表示提取矩阵对角线上的元素；步骤5、重复迭代步骤2至步骤4，直到满足停止准则。所述停止准则为：其中，为第i次迭代得到的发射波束矩阵。所述停止准则为：循环达到n次时，停止迭代；n为设定数值。本专利技术利用稀疏模型，提出一种基于循环优化的频控阵MIMO雷达发射波束矩阵设计方法，以单次采样快拍数，获得目标的角度和距离参数联合估计，同时尽可能提高距离和角度维分辨率。附图说明图1为实施例中采用不同矩阵的相干系数的直方图；其中，图1(a)采用导向矩阵A；图1(b)采用优化感知矩阵Φ；图2为实施例中利用不同方法得到的四个目标的距离和角度估计结果图；其中，图2(a)利用MUSIC方法,图2(b)利用OTWM+MUSIC方法,图2(c)利用IAA方法,图2(d)利用OTWM+IAA方法,图2(e)利用IAA-R方法,图2(f)利用OTWM+IAA-R方法；图3为实施例中RMSE与SNR的比较图.图3(a)为距离估计比较图；图3(b)为角度估计比较图；图3(c)幅度估计；图4为本专利技术的整理流程图。具体实施方式本专利技术提供一种FDA-MIMO雷达中基于循环优化的发射波束矩阵设计方法。频控阵通过相邻阵元增加一个较小的频率增量，可以产生具有角度和距离依赖性发射波束，这为目标的角度和距离参数联合定位提供可能。本专利技术利用这一特性，结合频控阵和MIMO雷达，通过优化设计发射波束矩阵，实现多个目标的距离和角度的联合估计。包括：步骤1，依据实际需求和频控阵MIMO雷达系统的特点，确定发射载波、频率增量、发射接收天线数，建立频控阵MIMO雷达系统模型；步骤2，利用循环优化方法，设计FDA-MIMO雷达的发射波束矩阵；步骤3，基于以上获得的发射波束矩阵，验证估计距离、角度和幅度的性能。下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明。1、基于稀疏的频控阵MIMO雷达模型描述考虑窄带频控阵MIMO雷达系统的模型，其阵列由Mt个发射天线和Mr个接收天线构成的组成。第m个发射天线上发射的信号xm(t)表示为其中，Tn是雷达脉冲持续时间，为加权向量，为包含K个正交波形的信号矢量，fm＝f0+(m-1)Δf是第m个天线上的载波频率，其中(·)T是转置运算符，f0是第1个阵元的载频频率，Δf是频率增量。在FDA-MIMO雷达模型中，假设f0＜＜Δf，K≤Mt。式(1)中，发射信号是由m个正交信号s(t)的线性组合产生。因此，Mt×1的发射波形向量可表示如下：其中，为发射波束矩阵，其向量形式为：由式(2)可知，对于一定数目的正交波形，可以通过设计发射波束矩阵来确定发射波形。为了利用稀疏感知的构想设计发射波束矩阵，本专利技术考虑将目标场景的距离角度平面离散成P×L的栅格，其中P和L分别表示距离单元数和角度单元数。假定目标正好落在栅格里面。本专利技术采用这种假定简化提出方法的表示并且忽略由于目标落在栅格外而造成的性能损失。经过匹配滤波后，接收端的基带信号可以表示为：其中，β本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种FDA‑MIMO雷达中基于循环优化的发射波束矩阵设计方法，其特征在于；包括以下步骤：步骤1、使用随机矩阵初始化发射波束矩阵，初始化矩阵

【技术特征摘要】
1.一种FDA-MIMO雷达中基于循环优化的发射波束矩阵设计方法，其特征在于；包括以下步骤：步骤1、使用随机矩阵初始化发射波束矩阵，初始化矩阵为单位矩阵；步骤2、根据式(15)求解半酉矩阵U；式(15)如下：其中，表示KMr×D阶的复矩阵；表示D×D的复矩阵；K为正交波形的信号矢量个数；Mr为接收天线的个数；D＝P×L，P和L分别表示距离单元数和角度单元数；步骤3、根据式(19)中类功率迭代法求解接收波束矩阵W；式(19)如下：其中，表示(K+Mt)Mr×(K+Mt)Mr阶的单位矩阵，参数λ取大于C的最大特征值，W(i+1)为第i+1次迭代得到的接收波束矩阵；表示KMr×KMr阶的单位矩阵，A2＝AAH，A是MtMr×D,(MtMr＜D)的矩阵，Et表示每个天线上的发射...

【专利技术属性】
技术研发人员：巩朋成，涂斯纯，李风从，李婕，张正文，黄翔，包泽胜，刘陈，
申请(专利权)人：湖北工业大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42