[发明专利]一种基于不完全杂波先验知识的MIMO-STAP稳健波形设计方法

说明书

技术领域

本发明属于信号处理领域，更进一步涉及一种最大化MIMO-STAP最坏情况下检测性能的稳健波形设计方法。

背景技术

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MIMO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MIMO雷达的目标检测。经过最近几年的研究，MIMO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MIMO雷达系统中效果类似于MIMO通信中衰落信道上的多径分集，能够显著提高系统的检测性能。然而，与传统相控阵系统处理手段类似，近年来，多数研究人员主要通过对MIMO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(airborneradar)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MIMO雷达，D.W.Bliss以及K.W.Forsythe提出了MIMO-STAP的概念。由于MIMO-STAP是最近几年才提出的新概念，相关的文献还比较少。

H.Wang提出了基于MIMO-STAP的波形设计来最大化输出信干噪声比，以改善其检测性能。明显地，上述优化问题的求解需要有关目标以及环境参数要确知，例如，目标位置，杂波信道等。然而，实际工程应用中，这些参数必须通过估计得到，因而不可避免的存在估计误差，因此它们是不确定的。从而，基于这些估计值优化的发射波形得到的输出信干噪声比对这些估计误差可能是敏感的。此即意味着基于某组估计参数优化波形相对于基于其他更合理的估计会有较差的检测性能。为了在有色高斯噪声分布下改善最坏情况下的检测性能，本专利提出基于不完全杂波先验知识的稳健波形设计方法。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明通过将参数不确定性凸集显式地包含进波形优化模型以减轻输出信干噪声比对估计误差的敏感程度，从而改善MIMO-STAP最坏情况下的检测性能。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，在本发明中，通过在参数凸不确定集上优化波形协方差矩阵以最大化最坏情况下MIMO-STAP的输出SINR，从而提高系统最坏情况下的检测性能。然而，由于输出SINR是关于波形的高度非线性函数，因而比较难以求解。针对此问题，本发明提出一种迭代算法来求解该优化问题。针对迭代的每一步，本发明基于对角加载(DL)方法可将非线性问题转化为半正定规划(SDP)问题，从而可以获得高效求解。

本发明基于不完全杂波先验知识的MIMO-STAP稳健波形设计方法，其包括如下步骤：

步骤一、MIMO-STAP接收信号的表述

在MIMO-STAP场景中，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M和N，阵元间距分别为d_T和d_R；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h和v；目标沿与发射、接收阵列法线夹角为θ_t的直线匀速运动，速度为v_t，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L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N_C(N_C＞＞NML)个小单元，则第l个PRI内的接收数据可表示为：