基於三迭代的機載mimo雷達空時降維自適應處理方法
2023-05-10 21:14:21 3
專利名稱：基於三迭代的機載mimo雷達空時降維自適應處理方法
技術領域：
本發明屬於雷達技術領域，具體說是一種多輸入多輸出MIMO雷達系統的自適應 雜波抑制方法，可用于波束形成，以提高雷達檢測性能。
背景技術：
多輸入多輸出MIMO雷達是近年來學術界提出的一種新體制雷達，這種雷達在發 射端同時發射多個正交或非相干信號，並在接收端通過匹配濾波處理分離各發射信號分量 以實現發射波形分集。利用波形分集技術，MIMO雷達採用較小的天線規模即可形成很大的 虛擬陣列孔徑，這在一定程度上克服了機載應用背景下傳統雷達天線孔徑和重量受載機平 臺嚴格限制的缺點，從而提高了雷達的角度解析度和雜波抑制能力。因此，機載MIMO雷達 逐漸成為雷達界的一個研究熱點。空時自適應處理技術是機載預警雷達檢測慢速運動目標 的關鍵技術，但在實際應用中受到獨立同分布IID樣本少和計算量大等問題的制約。在機 載相控陣雷達體制下，人們已經提出許多旨在降低樣本需求和計算量的降維自適應算法， 如主分量算法PC、因子化算法FA以及擴展因子化算法EFA等。雖然這些方法同樣適用於機 載MIMO雷達，但是發射波形分集大大增加了 MIMO雷達數據的維數，直接應用上述方法的樣 本需求量和計算量依然很大，且收斂速度慢。
發明內容
本發明針對機載MIMO雷達的特點及以上現有技術存在的不足，提出一種基於三 迭代的機載MIMO雷達空時降維自適應處理方法。該方法同時利用空時可分離特性和雜波 協方差矩陣的低維特性構造降維變換矩陣，從而大大減小矩陣求逆的運算量，降低對IID 樣本數目的要求，提高收斂速度。實現本發明目的的技術關鍵，是根據已有的目標信號三維空時導向矢量的 Kronecker積形式，將全維權矢量構造成目標發射權矢量、接收權矢量和時域權矢量三者的 Kronecker積形式，並通過空時級聯三迭代自適應處理對三者進行求解，從而得到全維權矢 量。具體實現步驟如下1)對雷達接收到的回波信號進行距離壓縮；2)將經距離壓縮後的目標信號的三維空時導向矢量b分解成空域發射導向矢量、 空域接收導向矢量和時域導向矢量Kronecker積的形式 其中，b為目標信號經距離壓縮後的三維空時導向矢量，a(的，釣)GCMx1， a應水)GCam和S,(DECM分別為目標的發射導向矢量、接收導向矢量和時域導向矢 量，圮悅，朽)= (S'ST)V2a諷，釣)為距離壓縮後的目標發射導向矢量，表示發射信號 矩陣， 代表Kronecker積，{ · }τ代表轉置，{ · 代表復共軛；3)根據所述Kronecker積的形式，構造目標信號的全維權矢量
w = q u ν= (Ix u v)q = (q U(X)Ijv)v = (q IM v)u其中，發射權矢量ueCM>d對應距離壓縮後的目標發射導向矢量圮悅,釣)，接收權 矢量VECjvxl對應目標接收導向矢量時域權矢量qECM對應目標時域導向矢量 st (fd, t)，IK、In和Im分別表示K維、N維和M維單位陣；4)將q、ν和u表示成q (ρ)、ν (ρ)和U (ρ)的形式，ρ表示迭代次數；根據LCMV準 則，對經距離壓縮後的目標信號進行空時級聯三迭代自適應處理，求解q、ν和u ；5)對得出的q、ν和u做Kronecker積，得到全維權矢量W。本發明與現有技術相比具有如下優點本發明結合機載MIMO雷達目標導向矢量的Kronecker積結構，利用三維權矢量 空時可分離特性將最優權矢量近似表示為發射、接收和時域三個低維權矢量的Kronecker 積形式，從而方便構造降維矩陣；同時本發明基於循環迭代的思想依次固定其中的兩個權 矢量，並由此構造相應的降維變換矩陣，在低維空間上優化另一個權矢量，使其在降維的同 時，降低了系統的樣本需求和運算量，並提高了收斂的速度。
圖1為本發明流程圖；圖2為實驗一中用本發明與現有方法改善因子的對比圖；圖3為實驗一中用本發明和現有方法改善因子隨迭代次數變化的曲線圖；圖4為實驗一中用本發明與現有方法改善因子隨訓練樣本數變化的曲線圖；圖5為實驗二中用本發明與現有方法改善因子的對比圖；圖6為實驗二中用本發明和現有方法改善因子隨迭代次數變化的曲線圖；圖7為實驗二中用本發明與現有方法改善因子隨訓練樣本數變化的曲線圖。
具體實施例方式參照圖1，本發明的具體步驟包括如下步驟1，對雷達接收到的回波信號進行距離壓縮。1. 1)假設一個機載MIMO雷達系統，發射和接收陣元數分別為M和N，並把第1個 全向距離環分解為N。個小的雜波單元，灼表示該距離環的俯仰角，θ i表示其中第i個雜波 單元的方位角，若一個相干處理時間內每個陣元接收K個脈衝，則接收陣列在第k次回波對 第1個距離環的採樣數據矩陣為 其中，β i為第i個雜波單元接收信號的復幅度，服從均值為0、方差為of的高斯分 布，/u= 2VC0S約COS釣/λ/為相應雜波單元的歸一化都卜勒頻率，V為載機速度，λ為雷達 工作波長，fr為脈衝重複頻率，a,悅，釣)GCmx1和ar(《,釣)GCM分別為空域發射導向矢量和 接收導向矢量，SGCmxp為發射信號矩陣；1. 2)設發射陣元同時發射碼長為P的正交編碼信號，為保證噪聲是時域白噪聲，利用Sh(SSh)代替S1^fX(Lk)進行距離壓縮及按列堆棧處理後的輸出為 其中，kxe^) = (S*ST)1/2 為距離壓縮後的發射導向矢量，且滿足
S*ST# IM，Im為M維的單位陣，{ · }H代表復共軛轉置。步驟2，將經距離壓縮後的目標信號的三維空時導向矢量分解成空域發射導向矢 量、空域接收導向矢量和時域導向矢量Kronecker積的形式。2. 1)將距離壓縮及按列堆棧處理後的輸出c(l，k)，(k = 1,2,…，K)重新排列， 得到第1個距離環的NMKX 1維雜波採樣數據為 其中Α(Λ》= [1,···, V2^FY為時域導向矢量；2.2)設目標的發射、接收和時域導向矢量分別為+悅，灼)，St (fd, t), 則目標信號經距離壓縮後的三維空時導向矢量為(4)其中，圮樹,釣) ar樹，釣)表示目標的二維空域導向矢量，
S諷,灼)= (S*ST廣a浙，外)為距離壓縮後的目標發射導向矢量，fs,t和別表示目標的 歸一化空間頻率和都卜勒頻率，即將機載MIMO雷達空域導向矢量轉化為發射、接收導向矢 量的Kronecker積形式，而非傳統機載雷達的單純的接收導向矢量形式。步驟3，根據所述三維空時導向矢量b的Kronecker積形式，構造全維權矢量。設u = [U1,…，uM]τ為空域發射權矢量，ν = [V1,…，νΝ]τ為空域接收權矢量，q =[Q1,…，qK]T為時域權矢量，將全維權矢量表示成w = q u v = (Ijr u v)q = (q u IAr)y = (q Iw v)u 。 (5)步驟4，將q、ν和u表示成q (ρ)、ν (ρ)和U (ρ)的形式，ρ表示迭代次數；根據LCMV準則，採用空時級聯(S-T)結構和時空級聯(T-S)結構的處理器對信號進行處理，將自適應 處理分別應用於MIMO雷達STAP信號發射、接收及時域部分，進行空時級聯三迭代自適應處 理，求解q、ν和U。4. 1)初始化
表示對矢量
求2-範數；4. 2)固定 U (P-I)和 V (P-I)，令 T9 = -l) y(p -1)為第一線性變換矩陣，通 過下述代價函數求解q (P) 解得時域權矢量q(p) = R>9/sfR>9，其中，R, =TfRT9為時域降維協方差矩陣，
R為第1個距離環的NMKX 1維雜波採樣數據。的協方差矩陣，S9 =Tfb為相應的時域導
向矢量；4. 3)利用
和q(p)，令不=
為第二線性變換矩陣，通過下 述代價函數求解ν (P) 解得空域接收權矢量V
，其中，Rv =TfRTv為空域接收降維協
方差矩陣，Sv =Tfb為相應的空域接收導向矢量；4. 4)利用ν (ρ)和q (ρ)，令T = q(p) Im 為第三線性變換矩陣，通過下述代 價函數求解u (ρ) 解得空域發射權矢量
其中，R = if RT 為空域發射降維協
方差矩陣，Su =Tfb為相應的空域發射導向矢量；4.5)重複步驟 2b)、2c)和 2d)，直到
)且
為止，獲得的 q (ρ)、ν (ρ)和 U(P)即為q、v和U，其中，￡1和ε 2分別表示任意一個大於0的無窮小量。步驟5，對得出的q、ν和u做Kronecker積，即
得到全維權矢量w。本發明的性能可以通過以下實驗驗證(一 )仿真條件機載MIMO雷達系統的發射波形採用QPSK碼波形，每個相干處理時間內發射K = 16個脈衝，每個碼長內採樣P = 256次，脈衝重複頻率f, = 1833Hz，波長λ = 0. 24m，載機 速度ν = llOm/s。所有雜波單元均勻布在每個距離環上，其目標反射係數均為獨立同分布 的高斯變量模型，不同距離環上的雜波單元相互獨立，且雜噪比(CNR)為40dB。實驗一機載ΜΙΜΟ雷達系統採用發射陣元M = 8、接收陣元N = 12的均勻布陣結 構，相鄰陣元間距為半波長；
實驗二機載MIMO雷達系統採用發射陣元M = 5、接收陣元N = 10的布陣結構，發 射陣元間距為N倍的半波長，接收陣元間距為半波長。比較五種方法的性能(1)本發明TRIA方法；(2)現有的因子化空時自適應處理 (FA)方法；(3)現有的時域都卜勒濾波級聯空域收發雙迭代(DTBIA)方法；(4)現有的最優 多重信號檢測(MTI)方法(採用傳統收發級聯結構的波束形成，其Chebyshev窗權值40dB， 接一時域最優處理器)；(5)現有的基於理想雜波協方差的最優處理(OP)方法。( 二)仿真結果實驗一圖2給出了用本發明和現有四種方法在訓練樣本數L = 200時，改善因子IF隨歸 一化都卜勒頻率的變化曲線。從圖2中可以看出，本發明TRIA方法在主雜波區的性能雖比 OP方法略有下降，但在旁瓣處僅有2 3dB的性能損失；且本發明改善了最小可檢測速率， 性能優於其他四種方法。圖3給出了在歸一化都卜勒頻率fd,t = 0. 25、歸一化空間頻率fs,t = 0時，用本發 明TRIA方法和現有的DTBIA方法的IF隨迭代次數的變化曲線。從圖中可以看到，本發明 僅用6步迭代即可實現收斂。圖4給出了在fd,t = 0. 25、fs,t = 0且進行100次Monte Carlo實驗時，用本發明 和現有四種方法的IF隨訓練樣本數的變化曲線，為保證五種方法有效，設定本發明TRIA方 法和現有的FA方法、DTBIA方法、MTI方法的初始訓練樣本數分別為16、96、10、16。從圖4 中可以看出，TRIA方法、DTBIA方法和MTI方法比FA方法收斂要快，在小訓練樣本數情況 下，DTBIA方法的性能相比FA方法的性能較好。實驗二圖5比較了用本發明和現有四種方法在訓練樣本數L = 200時IF隨歸一化多普 勒頻率的變化曲線。從圖5中可以看出，本發明TRIA方法在主雜波區的性能雖比OP方法 略有下降，但在旁瓣處僅有2 3dB的性能損失；且本發明改善了最小可檢測速率，性能優 於其他四種方法。圖6給出了在fd,t = 0.25、fs,t = 0時，用本發明TRIA方法和現有的DTBIA方法 的IF隨迭代次數的變化曲線。從圖6中可以看到，本發明僅用6步迭代即可實現收斂。圖7給出了在fd, t = 0. 25、fs, t = 0且進行100次Monte Carlo實驗條件下用本 發明和現有四種方法的IF隨訓練樣本數的變化曲線，設定本發明TRIA方法和現有的FA方 法、DTBIA方法、MTI方法的初始訓練樣本數分別為16、50、10、16。從圖7中可以看出，TRIA 方法、DTBIA方法和MTI方法比FA方法收斂要快，在小訓練樣本數情況下，DTBIA方法的性 能相比FA方法的性能較好。此外，由於實驗一和實驗二中對陣元數和布陣結構的要求均有不同，因此，本發明 還具有不受發射和接收陣元數以及陣列流型限制的優點。
權利要求
一種基於三迭代的用於機載MIMO雷達的空時降維自適應處理方法，包括如下步驟1)對雷達接收到的回波信號進行距離壓縮；2)將經距離壓縮後的目標信號的三維空時導向矢量b分解成空域發射導向矢量、空域接收導向矢量和時域導向矢量Kronecker積的形式其中，b為目標信號經距離壓縮後的三維空時導向矢量，和分別為目標的發射導向矢量、接收導向矢量和時域導向矢量，為距離壓縮後的目標發射導向矢量，表示發射信號矩陣，代表Kronecker積，{·}T代表轉置，{·}*代表復共軛；3)根據所述Kronecker積的形式，構造目標信號的全維權矢量 w=quv = ( IK u v )q= ( q u IN )v= ( q IM v )u 其中，發射權矢量對應距離壓縮後的目標發射導向矢量接收權矢量對應目標接收導向矢量時域權矢量對應目標時域導向矢量st(fd，t)，IK、IN和IM分別表示K維、N維和M維單位陣；4)將q、v和u表示成q(p)、v(p)和u(p)的形式，p表示迭代次數；根據LCMV準則，對經距離壓縮後的目標信號進行空時級聯三迭代自適應處理，求解q、v和u；5)對得出的q、v和u做Kronecker積，得到全維權矢量w。FSA00000192762700011.tif,FSA00000192762700012.tif,FSA00000192762700013.tif,FSA00000192762700014.tif,FSA00000192762700015.tif,FSA00000192762700016.tif,FSA00000192762700017.tif,FSA000001927627000110.tif,FSA000001927627000111.tif,FSA000001927627000112.tif,FSA000001927627000113.tif,FSA000001927627000114.tif
2.根據權利要求1所述的用於機載MIMO雷達空時降維自適應方法，其中步驟4)所述 的對經距離壓縮後的目標信號進行空時級聯三迭代自適應處理，按如下步驟進行2a) 表示對矢量求2-範數；2b)固定u(p-l)和v(P-l)，令 為第一線性變換矩陣，通過下 述代價函數求解q (P) 解得時域權矢量=，其中， =T^Ri;為時域降維協方差矩陣，R為雜波採樣數據的協方差矩陣，S, =Tfb為相應的時域導向矢量；2c)利用u(p-l)和9( )，令1=9(/7)@11(>-1)@『為第二線性變換矩陣，通過下述代 價函數求解ν (ρ) 解得空域接收權矢量 ，其中，Rv=TfRTv為空域接收降維協方差 矩陣，Sv =Ifb為相應的空域接收導向矢量；2d)利用V(P)和q(p)，令τ =q(p) IM v(/7)為第三線性變換矩陣，通過下述代價函 數求解u (ρ) 解得空域發射權矢量 ，其中， 為空域發射降維協方差矩 陣， 為相應的空域發射導向矢量；2e)重複步驟 2b)、2c)和 2d)，直到 | u(p)-u(p-l) |/| |u(p) | | < ε (0 < ε:<< 1) 且 I I V(p)-V(p-1) I |/| |V(p) I I < ε2(0< ε2<< 1)為止，獲得的 q (ρ)、ν (ρ)和 u(p)即 為q、ν和u，其中，￡1和ε 2分別表示任意一個大於0的無窮小量。
全文摘要
本發明公開了一種基於三迭代的機載MIMO雷達空時降維自適應處理方法，以解決傳統空時降維自適應處理技術所需訓練樣本數多、計算複雜度高且收斂速度慢的問題。其實現步驟是首先對雷達接收到的回波信號進行距離壓縮；然後利用三維級聯結構將全維權矢量分解為空域發射權矢量、空域接收權矢量和時域權矢量Kronecker積的形式；最後構造降維變換矩陣並通過TRIA方法得到上述三個分離的權矢量，進而得到全維權矢量。本發明具有所需訓練樣本數少、計算複雜度低和收斂速度快的優點，可用於機載MIMO雷達空時自適應處理。
文檔編號G01S7/41GK101887117SQ20101021461
公開日2010年11月17日 申請日期2010年6月30日 優先權日2010年6月30日
發明者馮大政, 向聰, 曹楊, 李倩 申請人:西安電子科技大學