[发明专利]基于空时联合优化的MIMO雷达波形合成方法

说明书

技术领域

本发明属于雷达技术领域，涉及雷达波形的合成，可用于MIMO雷达在目标探测和跟踪阶段的波形设计，以满足工程所需性能。

背景技术

多输入多输出MIMO雷达是一种新兴的有源探测技术，现已成为雷达技术领域的一个研究热点。根据天线的布置方式，可以将MIMO雷达分为分布式MIMO雷达和集中式MIMO雷达两类。其中集中式MIMO雷达的特点是阵元间距较小，具有自由地设计每副天线波形的能力，即波形分集。与相控阵雷达相比，集中式MIMO雷达的自由度提高了，这使得MIMO雷达具有更多的优越性，如更好的参量辨别能力、更灵活的发射方向图设计能力等。

目前，MIMO雷达的波形设计主要包括正交波形设计、特定发射方向图的波形设计等方面。其中，正交波形设计主要针对目标的探测；特定发射方向图的波形设计主要针对目标的跟踪，解决雷达系统的空间能量分配问题。

对于正交波形设计，目前主要基于阵元间信号的正交性对发射波形进行设计，如[Deng H..Polyphase Code Design for Orthogonal Netted Radar Systems.IEEE Trans.on Signal Processing.2004,Vol.52(11).3126-3135.]。采用此类方式设计的波形虽然可以保证阵元间信号具有较好的正交性，但空间合成信号的脉压特性较差，不利于弱目标检测。对于特定发射方向图的波形设计，目前的方法主要包括两步：信号相关矩阵优化与发射波形综合。其中信号相关矩阵优化，在国际刊物上发表的较为有效的方法是Stoica Petre和Li Jian提出的半正定规划法(Semi-defined programming,SDP)，见[Stoica P.,Li J.,XieY..On probing signal design for MIMO radar.IEEE Trans.on Signal Processing.2007,Vol.55(8).4151-4161]，该方法根据给定的发射方向图在最小均方误差准则下，得到全局最优的信号相关矩阵。对于发射波形综合，目前有效的方法是循环算法(Cyclic Algorithm，CA)，见[Stoica P.,Li J.,ZhuX..Waveform Synthesis for Diversity-Based Transmit Beampattern Design.IEEE Trans.on Signal Processing.2008,Vol.56(6).2593-2598]。该算法在满足信号是恒模的情况下，侧重考虑发射方向图的逼近问题，而没有考虑“空间合成信号”或者“回波信号”的相关特性。

实际中，对于雷达系统，不仅希望发射信号具有恒模特性，而且应该具有以下特性：

1）发射信号波形应具有期望的空间功率分布，即所形成的发射方向图要逼近期望的发射方向图。

2）空间合成信号或者回波信号具有较好的脉压特性，即回波信号的时域自相关峰值旁瓣电平要低。

上述已有的波形设计方法仅仅保证了发射波形的空间功率分布，而没有考虑空间合成信号或者回波信号的自相关特性，可能导致脉压后的信号具有较高的峰值旁瓣电平，不利于弱目标检测。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于空时联合优化的MIMO雷达波形合成方法，以保证波形能够逼近期望方向图，并提高回波信号的时域自相关特性，进而提高后续的目标检测性能。

为实现上述目的，本发明的MIMO雷达波形合成方法，包括如下步骤：

（1）确定发射波形的相关矩阵R，其中R为M维的Hermitian半正定矩阵，M表示发射阵元个数；

（2）随机产生L×M维的初始恒模波形矩阵X⁰，其中L表示发射信号的码长；

（3）确定感兴趣的观测方位角即自相关特性需要提高的方位角，其中I表示感兴趣的观测方位角总个数；

（4）根据相关矩阵R，初始恒模波形矩阵X⁰，设计维数为L×M的相位矩阵Φ：

（4a）建立相位矩阵Φ的如下优化模型：