一种基于MIMO阵列的发射波形优化方法与系统技术方案

本公开提出一种基于MIMO阵列的发射波形优化方法与系统，属于信号处理技术领域。所述方法包括：根据所述MIMO阵列的离散基带信号，获取原始发射波形，并基于所述原始发射波形确定角度θ上的合成信号；获取在所述角度θ上的期望信号，并基于所述期望信号确定所述期望信号与所述合成信号之间的匹配误差，当所述匹配误差最小时，表征所述期望信号与所述合成信号最接近，从而实现对所述原始发射波形的优化。从而实现对所述原始发射波形的优化。从而实现对所述原始发射波形的优化。

【技术实现步骤摘要】
一种基于MIMO阵列的发射波形优化方法与系统


[0001]本专利技术属于信号处理
，尤其涉及一种基于MIMO阵列的发射波形优化方法与系统。

技术介绍

[0002]综合射频系统是一种利用同一宽带天线孔径，将多种射频传感器进行一体化集成，通过开放式信号处理软件架构同时实现目标探测、数据通信、电子对抗和导航制导等功能的系统。与传统电子系统相比，该系统的集成度更高，天线数目更少，体积更小，重量更轻，成本更低，频谱利用率更高。目前随着多输入多输出（Multiple
‑
Input
‑
Multiple
‑
Output, MIMO）阵列的不断发展，先后提出基于MIMO阵列的功能射频系统，然而，现有的大多数方法仅考虑实现两种功能，例如通信与雷达双功能、雷达与干扰双功能。此外，在进行发射波形设计时，不可避免的会使用一些先验信息，例如目标或者通信接收机所在的方向，现有的方法均认为角度等信息是精确已知的，这往往是难以实现的，一旦存在估计误差，这会使得所设计波形的性能急剧下降。

技术实现思路

[0003]本专利技术从实际需求和应用的角度出发，针对现有技术存在的问题，提供一种基于MIMO阵列的发射波形优化方案。
[0004]本专利技术第一方面公开了一种基于MIMO阵列的发射波形优化方法.所述MIMO阵列为多输入多输出阵列，所述方法包括：根据所述MIMO阵列的离散基带信号，获取原始发射波形，并基于所述原始发射波形确定角度θ上的合成信号；获取在所述角度θ上的期望信号，并基于所述期望信号确定所述期望信号与所述合成信号之间的匹配误差；其中，所述期望信号表征期望所述原始发射波形在所述角度θ上实现的目标信号；当所述匹配误差最小时，表征所述期望信号与所述合成信号最接近，从而实现对所述原始发射波形的优化；其中，在确定所述匹配误差时，选取感兴趣的方向作为所述期望信号所在的方向；在最小化所述匹配误差时，在以发射波形能量约束和发射波形峰均比约束作为优化限制条件的同时引入空间传播效应。
[0005]根据本专利技术第一方面的方法，所述MIMO阵列的发射天线数为N
T
，第n个天线发射的所述离散基带信号记为，L表示所述离散基带信号的码长，表示复数域；所述原始发射波形矩阵为，，，在远场条件下所述角度θ上的合成信号为，表示所述角度θ上的发射导引矢量，；所述角度θ上的期望信号为，且，所述匹配误差为；所述感兴趣的方向为θ1, θ2,
ꢀ…
, θ
K
，所述
感兴趣的方向上的期望信号为，则最小化所述感兴趣的方向上的匹配误差表征为：其中，其中，为所述感兴趣的方向上的发射导引矢。
[0006]根据本专利技术第一方面的方法，所述发射波形能量约束为，为发射波形能量阈值；所述发射波形峰均比约束为：形能量阈值；所述发射波形峰均比约束为：其中，1≤ρ≤L，s
n
(l)为基带信号s
n
的第l个元素，l = 1, 2,
ꢀ…
, L；则基于所述发射波形能量约束和所述发射波形峰均比约束的所述感兴趣的方向上的匹配误差最小化表征为：其中，，表示空间传播效应，为未知复数，k = 1, 2,
ꢀ…
, K，，，；设,分别为为角度区间的上限值和下限值，将离散为N
k
个点，令，且，，，，则基于所述发射波形能量约束和所述发射波形峰均比约束的经角度区间离散化的所述感兴趣的方向上的匹配误差最小化表征为：通过求解所述经角度区间离散化的所述感兴趣的方向上的匹配误差最小化问题，来实现实现对所述原始发射波形的优化。
[0007]根据本专利技术第一方面的方法，求解所述经角度区间离散化的所述感兴趣的方向上的匹配误差最小化问题具体包括：
（1）令q表示当前已迭代的次数，初始化q = 0，α
(q) = 1，随机生成所述原始发射波形，，其中 φ1, φ2,
ꢀ…
, φ
L
为均匀分布在[0, 2π)区间内的随机变量；计算基于第q次迭代时发射波形矩阵S
(q)
()的合成信号与期望信号之间的最大匹配误差Obj
(q)
：。
[0008]（2）计算第q+1次迭代时的空间传播效应α
(q+1)
，并求解：进一步转化为求解：通过MATLAB中的CVX求得α
(q+1)。
[0009]（3）通过以下步骤计算第q+1次迭代时的发射波形矩阵S
(q+1)
：（3
‑
1）通过下式计算矩阵U
k
和V
k
：：（3
‑
2）通过求解下式来计算经优化的发射波形S：利用单纯形将计算所述经优化的发射波形S转化为求解下式：其中，为所述单纯形；令，以进一步简化：（3
‑
3）利用梯度下降
‑
上升算法求解简化公式，初始化m = 0，S
(q, m) = S
(q)
, p
(q, m) = 1/，η
(q,m) = 0.01, β
(q,m) = 0.01，η
(q,m)
为下降梯度的步长，β
(q,m)
上升梯度的步长，
（3
‑3‑
1）令，求函数G(S, p)在点S
(q, m)
上的梯度：（3
‑3‑
2）计算，其中：（3
‑3‑
3）将临时变量映射到可行域中，当ρ = L时：当ρ = 1时：（3
‑3‑
4）求函数G(S, p)在点p
(q,m)
上的偏导数：其中，；（3
‑3‑
5）计算第(q,m+1)次迭代时单纯形系数p
(q,m+1)
：：（3
‑3‑
6）若达到收敛或最大迭代次数，将S
(q,m+1)
的值赋予S
(q+1)
；否则，令m = m+1，重复步骤（3
‑3‑
1）至（3
‑3‑
5）。
[0010]（4）在达到所述收敛或所述最大迭代次数的情况下，输出S
(q+1)
；否则，令q = q+1，重复步骤（2）
‑
（3）。
[0011]本专利技术第二方面公开了一种基于MIMO阵列的发射波形优化系统。所述MIMO阵列为多输入多输出阵列，所述系统包括：第一处理单元，被配置为：根据所述MIMO阵列的离散基带信号，获取原始发射波形，并基于所述原始发射波形确定角度θ上的合成信号；第二处理单元，被配置为：获取在所述角度θ上的期望信号，并基于所述期望信号确定所述期望信号与所述合成信号之间的匹配误差；其中，所述期望信号表征期望所述原始发射波形在所述角度θ上实现的目标信号；当所述匹配误差最小时，表征所述期望信号与所述合成信号最接近，从而实现对所述原始发射波形的优化；其中，在确定所述匹配误差时，选本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于MIMO阵列的发射波形优化方法，其特征在于，所述MIMO阵列为多输入多输出阵列，所述方法包括：根据所述MIMO阵列的离散基带信号，获取原始发射波形，并基于所述原始发射波形确定角度θ上的合成信号；获取在所述角度θ上的期望信号，并基于所述期望信号确定所述期望信号与所述合成信号之间的匹配误差；其中，所述期望信号表征期望所述原始发射波形在所述角度θ上实现的目标信号；当所述匹配误差最小时，表征所述期望信号与所述合成信号最接近，从而实现对所述原始发射波形的优化；其中，在确定所述匹配误差时，选取感兴趣的方向作为所述期望信号所在的方向；在最小化所述匹配误差时，在以发射波形能量约束和发射波形峰均比约束作为优化限制条件的同时引入空间传播效应；其中：所述MIMO阵列的发射天线数为N
T
，第n个天线发射的所述离散基带信号记为，L表示所述离散基带信号的码长，表示复数域；所述原始发射波形矩阵为，，，在远场条件下所述角度θ上的合成信号为，表示所述角度θ上的发射导引矢量，；所述角度θ上的期望信号为，且，所述匹配误差为；所述感兴趣的方向为θ1, θ2,
ꢀ…
, θ
K
，所述感兴趣的方向上的期望信号为，则最小化所述感兴趣的方向上的匹配误差表征为：其中，其中，为所述感兴趣的方向上的发射导引矢；其中：所述发射波形能量约束为，为发射波形能量阈值；所述发射波形峰均比约束为：所述发射波形峰均比约束为：其中，1≤ρ≤L，s
n
(l)为基带信号s
n
的第l个元素，l = 1, 2,
ꢀ…
, L；则基于所述发射波形能量约束和所述发射波形峰均比约束的所述感兴趣的方向上的
匹配误差最小化表征为：其中，，表示空间传播效应，为未知复数，k = 1, 2,
ꢀ…
, K，，，；设,分别为为角度区间的上限值和下限值，将离散为N
k
个点，令，且，，，，则基于所述发射波形能量约束和所述发射波形峰均比约束的经角度区间离散化的所述感兴趣的方向上的匹配误差最小化表征为：通过求解所述经角度区间离散化的所述感兴趣的方向上的匹配误差最小化问题，来实现实现对所述原始发射波形的优化。2.根据权利要求1所述的一种基于MIMO阵列的发射波形优化方法，其特征在于，求解所述经角度区间离散化的所述感兴趣的方向上的匹配误差最小化问题具体包括：（1）令q表示当前已迭代的次数，初始化q = 0，α
(q) = 1，随机生成所述原始发射波形，，其中 φ1, φ2,
ꢀ…
, φ
L
为均匀分布在[0, 2π)区间内的随机变量；计算基于第q次迭代时发射波形矩阵S
(q)
()的合成信号与期望信号之间的最大匹配误差Obj
(q)
：；（2）计算第q+1次迭代时的空间传播效应α
(q+1)
，并求解：进一步转化为求解：通过MATLAB中的CVX求得α
(q+1)
；（3）通过以下步骤计算第q+1次迭代时的发射波形矩阵S
(q+1)
：（3
‑
1）通过下式计算矩阵U
k
和V
k
：
（3
‑
2）通过求解下式来计算经优化的发射波形S：利用单纯形将计算所述经优化的发射波形S转化为求解下式：其中，为所述单纯形；令，以进一步简化：（3
‑
3）利用梯度下降
‑
上升算法求解简化公式，初始化m = 0，S
(q, m) = S
(q)
, p
(q, m) = 1/，η
(q,m) = 0.01, β
(q,m) = 0.01，η
(q,m)
为下降梯度的步长，β
(q,m)
上升梯度的步长，（3
‑3‑
1）令，求函数G(S, p)在点S
(q, m)
上的梯度：（3
‑3‑
2）计算，其中：（3
‑3‑
3）将临时变量映射到可行域中，当ρ = L时：
当ρ = 1时：（3
‑3‑
4）求函数G(S, p)在点p
(q,m)
上的偏导数：其中，；（3
‑3‑
5）计算第(q,m+1)次迭代时单纯形系数p
(q,m+1)
：：（3
‑3‑
6）若达到收敛或最大迭代次数，将S
(q,m+1)
的值赋予S
(q+1)
；否则，令m = m+1，重复步骤（3
‑3‑
1）至（3
‑3‑
5）；（4）在达到所述收敛或所述最大迭代次数的情况下，输出S
(q+1)
；否则，令q = q+1，重复步骤（2）
‑
（3）。3.一种基于MIMO阵列的发射波形优化系统，其特征在于，所述MIMO阵列为多输入多输出阵列，所述系统包括：第一处理单元，被配置为：根据所述MIMO阵列的离散基带信号，获取原始发射波形，并基于所述原始发射波形确定角度θ上的合成信号；第二处理单元，被配置为：获取在所...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐波，吴文俊，王海，黄中瑞，秦立龙，张峻宁，樊甫华，王贵生，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：