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文件名称: MIMO雷达发射波形优化设计.pdf
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 详细说明：本文构建了OFDM-LFM信号模型，并通过信号模糊函数的分析验证了其理论上的正交性。随后采用同样具有良好脉冲压缩性能的多相编码信号，以极小化峰值旁瓣为代价函数选择通过遗传算法对发射波形进行优化。最后，基于序列二次规划研究了自相关峰值旁瓣电平和互相关峰值电平与码长N、序列数L和加权系数的数值关系。目录 第一章绪论 1.1MIMo雷达波形设计的研究意义及背景 1.2MMo雷达波形设计研究现状的国内外背景和历史发展 第二章MIM雷达概述…… 2.1MIMO雷达的信号模型 般信号模型 3335 2.2信号模型分类. 第三章正交波形设计 3.1正交波形的基本概念和定义 32正交波形设计的意义 3.30 FDM-LFM信号设计原理. 0FDM-LFM信号模糊函数及波形.…. 789 3.4.1遗传算法原理 .12 3.4.2使用普遍的几种代价函数和优化准则 12 第四章仿真结果及分析 14 4.1 OFDM-LFM波形设计与分析. 4.2遗传算法仿真结果及分析. 21 4.3序列二次规划算法 .21 4.3.1建立序列二次规划的数学模型...… 4.3.2序列二次规划算法仿真结果及分析 第五章总结与展望 27 致谢 ·.···中···中· 28 参考文献. 28 附录 第一章绪论 1.1M|M雷达波形设计的研究意义及背景 以具有良好时间域中函数自相关的特点性能和时间域中互相关函数特点性 能为波形设计的准则进行发射信号波形的优化。良好的时间域中自相关函数图像 这一标准的达成可得到能够走行很好脉冲压缩的雷达信号的接收系统,使得目标 的距离、速度和方位信息可以方便地提取。对于具有比较低的时域互相关特性的 空间合成信号,可很大程度降低来白不同方向的目标返回波形之间的相互十扰 除此之外,整休的这个雷达系统在战场中得以生存下去的能力较高,而且敌方的 侦察机也很难对其进行交叉确定其位置 MIMO雷达有两种,根据收发天线相互之间的距离,分布式的雷达为其中的 类,另一类是集中式雷达。较强的空间分集的本领是分布式这类ⅦMO雷达的特色, 可增强对闪烁(对于其散射截面积RCS的上升和伏动)目标的探测。传统意义上的 单个发射站的雷达仅仅是一组发射信号波形,然而对于想要能在目标返回的信号 波形上捕捉得到相互之间独立的信号的一些信息同时能够实现返回的波形之间 的干扰的最大程度得减小,使得MIM雷达发射的波形符合正交的标准。 集中式MIMO雷达,属于传统的相控阵雷达的后代。相控阵这一类雷达中各个 阵列单元能够产生岀同样的波形,它一般是进行空间上信号波束的扫描,由不断 改变各个阵列单元的移相器上的信号相位来实现,通常每个脉冲重复周期一次的 移相周铰长。上述可得相控阵雷达的发射信号波形比铰单一,而且其波束在此停 下的时长较大,因此敌方可以很容易得精准确定它的位置,从而敌人这一方的侦 察机就可以发现它∫,则其极大可能是被摧毁,所以在作战场地上生存下去的本 领上处于劣势。然而集中式MIMO雷达有较高的信号波形的快速变化的本领,它的 各个阵列单元都配有独立的快速产生信号波形的仪器。此外,集中式MIMO雷达处 于相控阵这一类模式时是在对检测目标进行寻找的时期,按需分配发射电磁能量 的情况属于目标跟踪阶段。 由此可得出研究MIMO雷达的波形设计,在增强整个雷达系统的战争生存能 力上,以及在对于现有传统意义上只有一个发射站的雷达和相控阵这类雷达发射 的信号仅有一种的劣势克服方面具有重大意义,而且能够进行雷达信号发射的机 器中能量的尽最大可能的利用,最终使得雷达接收信号波形的系统的检测信号波 形的木领得以增强。 1.2M|M0雷达波形设计研究现状的国内外背景和历史发展 2003年,第一次给出∫确切的MIMO雷达概念的是MIT林肯实验 Bliss D.W. 和 Forsy the K.W.等人,他们是在美国麻省理工学院,他们首先是将无线通信的 MIMO技术运用到雷达系统中。并且指出」MIM雷达是一种由产生多个不同种类 的波形(就是运用波形分集的本领)来检索确定到其中一信道(也就是目标),同时 通过相类似的多个方式接收处理信号的雷达系统。上述可以看出,自MIM0雷达的 概念刚刚被提出开始,波形分集就成为了MIMO雷达的一个关键的议题,波形设计 也就白然成为了其中重要的研究内容。 2004年,正交波形的设计被 Deng hai首先对其展开了研究,他是美国德克萨 斯大学的,信号的非周期自相关函数,以及信号波形的非周期互相关函数定义也 通过他们被提出,对正交波形设计上的两种代价函数做出了说明,同时正交多相 码(在[0,2丌]上相位是均匀离散取值)和正交频率编码的信号波形也是由他们通 过模拟退火和邻域搜索的方法进行∫设计,-14.8dB的自相关峰值旁瓣电 平,-13.5dB的峰值互相关电平是最终得出正交四相码性能的指标。这是由码长 是40,信号个数是4的波形得出的。在2006年,刘波和何子述等人在电子科技大 学给出另一种设计方法,他们进行的是正交多相码和正交频率编码波形设计,结 合了遗传算法和邻域搜索,这种优化速度以及其性能与 Deng hai的方法相比既快 又好。另一方面正交线性调频①LFM)信号也被刘波等人进行了深入研究。对于遗 传算法和模拟退火算法的收敛慢、局部收敛等一系列问题,西安科技大学的胡亮 兵等人在基于序列的二次规划上,给出了相位连续的正交相位编码波形。随后是 正交多相码具备了多普勒容限能力较强的性能,这是被 Hammad和 David等人在牛 津大学运用互补 Frank码设计出,同吋也对信号的相位结构进行了充分分析而且 通过用互熵理论得到的正交波形的多普勒容限好于 Deng Hai的,然而总得来看, 对于多普勘敏感性问题的改善程度这种方法的作用仍然是有所局限的 可见设讣正交均匀离散相位编码信号一般就是用到模拟退火、遗传算法和互 熵这些方法的。正交波形设计若是在[O2n相位上连续取值,1992年, Kevin J. Gartz的研究能够来详细讨论并解决这一问题,自相关旁瓣,以及随之而来的 互相关的四次方和是他所构造出的代价函数,恒定模值的信号波形相位的优化是 Fletcher- Reeves进行的,他在该方法上的核心思想是共轭梯度法,自相关峰值 旁瓣电平和峰值互相关电平很低且分布平坦的信号波形也是由他给出。,此外, 上述的这些新方法与 Kevin j. Gartz的方法相比在性能指标方面比较差,如果说 是具有相同信号码长,以及波形数目和码长的前提下,连续的相位取值就是其关 键原因,而求解离散问题是比连续问题因难的。基于FFT的循环算法是通过相位 迕续取值的忙交波形设计方法,是被 Li Jian和 He hao于2009年在佛罗里达州 大学再次提到的,该方法不仅采用了的代价函数是积分旁瓣能量,其具备计算占 用的内存小等优点,而且得出了算法非常快速的实验结果,不过对比了 Kevin j. Gartz的正交码,该方法的自相关峰值旁瓣电平,以及随之而来的峰值互相关电 平是比较高的(关键是因为循环算法不能保证局部的收敛性,且以积分芳瓣能量 为代价函数)。本文第一步是对MIMO雷达的信号模型进行了建立,同时对MIMO 雷达的接收和发送通道矩阼的性质,以及其基本的原理进行了分析。因为OFDM 信号的每个波形能够分离,而且线性调频信号(LFM)具有大的时宽带宽积,雷达距 离分辨力,以及其作用距离就能够与之同时得以提高,结合二者的特点。本文首先 建立出MI⑩O雷达的信号模型,对MM雷达的基本原理和收发通道矩阵的性质进 行了分析。因为0FM信号的每个波形能够分离,而且线性调频信号(LFM)具有 大的时宽带宽积,可以同时提高雷达作用距离和距离分辨力,结合二者的特点, 本文构建了OFDM-FM信号模型,并通过信号模糊函数的分析验证了其理论上的 正交性。随后釆用同样具冇良好脉冲压缩性能的多相编码信号,以极小化峰值旁 辦为代价函数选择通过遗传算法对发射波形进行优化。最后,在建立的基于序列 二次规划的数学模型上,通过对 Matlab仿真实验结果的分析研究了自相关峰值 旁瓣电平和互相关峰值电平与码长N、序列数L和加权系数的数值关系,并对 序列二次规划算法的优越性做岀总结,更进一步在优化波形正交性未来研究方向 上进行了展望。 第二章MIM雷达概述 2.1MIMO雷达的信号模型 对于传统雷达,因为阵元间距特别小,同时假定目标位于远场,则把目标看作 是点源日标。但事实上,雷达所有检测的标由很多小的散射的个体组成,带有复 杂的散射的背景,它的散射所带有的参数与方向位置角度呈现为数关系。如果 接收和父射之间的距离非常大,能够把目标看为是点目标就不能被视为可以理解 的。随后便可以把目标视为是由大量的小散射的个体组成,MIMO雷达发射信号 波形模型的建立是通过了信号的传输流程(发射阵一日标一接收阵),进而对 MIMO雷达的本质上的原理进行分析,考虑天线的分布阵列对目标的散射特征性 能的影响大小。 一般信号模型 假定MIW0雷达为M个发射信号的天线,N个接收信号的天线之问的距离是d 利d,目标是Q个小的散射个体的集合。为了使我们的描述利理解更加方便,则 假定目标的Q个小散射体设置为均匀分布的线形的阵列,MIMO雷达的接收和发射 信号的天线阵列也都是均匀分布式的线性阵列,而且接收和发射信号的设备分开 来放置(也能够接收和发射信号同时使用),和目标的信号阵列为平行的关系,如 图所示。假定各个小的散射个休以同一方向性做出辐射,散射时的参数的实部和 虚部都遵循的高斯分布,且其为零均值、方差为1,则能够通过下面的对角矩阵对 日标的散射的特征性能进行描述。 ([20 Q-1 (1 其中,E[tr"ce(Σ)=1,归一化因子√2确保目标的平均RCS为1,和散射 休的个数Q则无关。E(O)表示期望值,tαce(o)表示矩阵迹的求解,()表示共 轭转置的操作,dlag(。为牛成向量元素处于主对角线上的对角方阵 如果目标是在相对远离的场地(D<R2/d2时,来 自于每个接收大线的目标各个部分的返回的波形都是有差异的,进而形成的接收 矩阵K的每一列之间都是不相关的,得到接收分集;若d1>R/d1,按照同样的方 法能够得到发射信号这方面的分集。所以,各反射参数之间是不是彼此独立取决 于阵列单元之间距离的大小。 若接收和发射的阵列单元之间距离均特别人,能够得到接收和发射都能行的 分集,则每个信道的反射系数相互之间是没有关系的各信道矩阵参数是遵循独立 同分布的。那么,MIMO雷达系统能够把它等同地视为是MN个单个的天线雷达同 时间均在工作。在统计这方面来分析,目标的返回的信号波形的SNR大约是一 个不变的值,则可以消除掉来自于日标角的闪烁的后果,增强对于日标的检测和 估计的本领。这一类雷达又被叫做统讣MIMO雷达( statistical mimo radar), 它的信号模型就是普遍的信号模型 第二种类型为传统意乂上的相控阵模型,接收和发射的阵列单元之间距离均 不能够很好达到分集的指标,每一个接收和发射大线从一样的角度探测到的目标 就是6,和6,(如果是仅有单个基地的雷达这类系统,,和,为一样的),那么, G=g×l1,K=k×1N,其中,lM表示长度为M的全1向量 8=[1, e"/274, sin(e,)/a j2TAo-sin(B/2T ]k=[1 -j21Sin(6)元 jiA H=DK∑GB=DlB diag ( d)i diag(B) (,)b() a(,)=[,e 2丌(N-1)dsin()/ (7) n()/2 j2T(M-1)d, sin(0,)/a 因为H矩阼具冇相关性,且为了与统计MIMO雷达区分开来,称此类雷达为相 关MIMO雷达。发射的信号波形的不同是这种方法与传统意义上的相控阵雷达之 间最大的区别, Li Jian即是川了这种信号模型进行的MIMO雷达的研究。其 采用发射之间没有关系的信号的方法提高系统的发射白由程度,进而增强目标参 数的估计水平,它的最大能够检测得到对目标的数目为传统意义上的相控阵雷达 的M倍。此类雷达的信号模型为 r=√aa(0)b(O)s+y (8) 不模糊测向有接收阵列之间的距离不人于λ/2的条件,所以产生了MMO雷 达的另一类信号波形的模型∷:发射分集,接收不分集。综合了以上两种类型,它的 信号模型为 r=√a(,)bS+y (9) 其中,b为M×1向量,b=eAgm,孤m表示第m个发射信号到达目标处 的延时。 第三章正交波形设计 31正交波形的基本概念和定义 假设要求设计出的正交相位编码波形S是L个码长为N的信号序列,那么能 够用下面的式子表小这个止交波形: S=exp()={(n)=e,n=12…,N,1=12,…,1 (10) 其中Φ是S的相位矩阵,(n)∈Φ为信号序号S第n个子脉冲的相位 丌2丌 a)eMM(M-),x时,其中M表示相位数,可以称这种情况下 的正交波形为正交均匀离散相位编码波形,能够简称为正交M相码;当 (n)∈D2z],称为止交连续相位编码波形。所谓的止交波形,即为满足下式(11) 和式(12)的序列集合 A(s,b)=(n)s:(n+k)=00
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