[发明专利]无需拟合协方差矩阵的低旁瓣发射波束图设计方法

说明书

本发明提供了一种无需拟合协方差矩阵的低旁瓣发射波束图设计方法，涉及MIMO雷达技术领域，本发明采用一种基于交替方向乘子法，引入辅助变量来实现变量分离，将原有的大量非凸限制转换成可求解问题，运用ADMM思想迭代求解，从而确定参数，得出理想探测波形，并尽可能降低旁瓣值，本发明由于采用一步法直接获得具有恒模特性的MIMO雷达探测信号，同时最小化旁瓣水平，并同时在解决非凸限制时发挥了很大的优势；另外，本发明可以获得具有更低旁瓣的发射波束图，这大大降低了信号相关的干扰、杂波等干扰的影响，从而大大提高了雷达的抗信号相关噪声性能，这是其他方法所不能达到的。

技术领域

本发明涉及MIMO雷达技术领域，尤其是一种发射波束图设计方法。

背景技术

MIMO雷达系统分为两类：分布式MIMO雷达系统和集中式MIMO雷达系统，对于分布式MIMO雷达系统而言其天线在空间中分散布置，因此每一个天线对目标都有不同的关注点，这种系统结构提高了MIMO雷达系统的空间多样性；而集中式MIMO雷达系统，天线在空间中等间隔分布，所有天线探测的都是目标的同一个层面，虽然这种结构无法提高对目标探测的空间多样性但其可以提高对目标探测的分辨率；另外，MIMO雷达目标探测个数是相控阵雷达系统的T倍(T是天线个数)，但相控阵雷达系统可以有很好的(非常窄的)波束图，类似于相控阵雷达设计具有指向性的发射波束图。

为了提高MIMO雷达的探测效率以及分辨率，在MIMO雷达工作时通常希望探测功率集中于关心的区域(目标的潜在区域)。传统相控阵雷达系统每个天线发射的是完全相关的探测信号，这使得其发射信号的协方差矩阵是一个秩为一的矩阵，发射波束具有很好的指向性(主要集中于与阵列垂直的方向)。然而，传统的MIMO雷达要求每个天线传输的是相互正交的探测信号，这使得雷达在空间中各个方向具有相同的探测功率，发射波束不具有指向性。因此，在MIMO雷达探测信号功率一定的情况下，设计同相控阵雷达一样具有很好的指向性的发射波束图，可以大大提高MIMO雷达的探测性能以及分辨率；另一方面，发射具有低旁瓣的探测信号可以大大降低雷达的截获概率。MIMO雷达发射波束图设计主要思想是利用探测信号之间的相关性，通过设计探测信号的协方差矩阵R来获得期望的发射波束图。

现有的MIMO雷达发射波束图设计技术大多都基于两步法：第一步计算探测信号的协方差矩阵R，此步骤中最常用的准则有两种，匹配准则和旁瓣最小化准则；第二步利用第一步的协方差矩阵计算雷达的探测信号。由于整个设计基于两个独立的步骤，因此这种方法存在误差累积，且计算过程发杂。另外，R的设计有两个约束：第一要求正定，因为R是雷达的探测信号的协方差矩阵，第二要求R的对角线元素的值相等，为了保证功率放大器的工作效率，要求雷达的每个发射天线等功率发射信号。

在MIMO雷达发射波束图优化设计方面，最初由美国密西根理工大学的DanielR.Fuhrmann教授(IEEE Fellow)提出，该方法第一步基于匹配准则，并利用了内点法获得探测信号的协方差矩阵，第二步利用获得的协方差矩阵结合二进制相移键控(BPSK)波形获得所需的雷达探测信号。最典型的方法当属瑞典乌普萨拉大学的P.Stoica教授(IEEEFellow)和美国佛罗里达州大学Jan.Li教授(IEEE Fellow)提出的基于半定二次规划(SQP)的方法，该方法第一步分别考虑了匹配准则和最小化旁瓣水平准则下利用半定二次规划来优化协方差矩阵，第二步是在基于第一步获得的协方差矩阵，利用循环算法合成MIMO雷达所需的探测信号。以上这些两步法可以获得较好的发射波束，但是两步法过程繁琐，且存在一定的误差累积。近来Sadjad Imani等人提出了基于匹配准则，利用半定松弛(SDR)的方法直接获得MIMO雷达探测信号，但是该方法利用的是近似(松弛)手段，因此效果也并不理想。

以上提到的MIMO雷达发射波束图设计方法都存在较大的误差累积，旁瓣水平都较高，并且计算过程繁琐，这使得这些方法在实际应用中有很多缺陷，因此在低旁瓣准则下，直接设计具有恒模特性的雷达探测信号，可以对提高雷达的探测效率以及分辨率并降低截获概率

发明内容