CN106199529B

CN106199529B - 最小冗余多输入多输出雷达的天线阵列设置方法

Info

Publication number: CN106199529B
Application number: CN201610693738.XA
Authority: CN
Inventors: 杨明磊; 陈伯孝; 孙磊
Original assignee: Xidian University; Xian Cetc Xidian University Radar Technology Collaborative Innovation Research Institute Co Ltd
Current assignee: Xidian University; Xian Cetc Xidian University Radar Technology Collaborative Innovation Research Institute Co Ltd
Priority date: 2016-08-19
Filing date: 2016-08-19
Publication date: 2018-08-21
Anticipated expiration: 2036-08-19
Also published as: CN106199529A

Abstract

本发明公开了一种最小冗余多输入多输出雷达的天线阵列设置方法，主要解决现有技术设计复杂和计算量大的问题。其技术方案是：首先，选用一种稀疏线阵作为MIMO雷达的发射阵列；其次，通过计算发射阵列的差分合成阵列的最大连续虚拟阵元数目，得到接收阵列的单位阵元间隔；最后，选用一种稀疏线阵，根据单位阵元间隔得到MIMO雷达的接收阵列。本发明避免了计算机的搜索寻优，减少了运算量和设计难度，当给定总阵元数时，通过直接计算获得发射阵元数和接收阵元数的最优解，得到性能更好的最小冗余MIMO雷达天线阵列，可用于最小冗余多输入多输出雷达对目标方位的估计。

Description

最小冗余多输入多输出雷达的天线阵列设置方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，尤其涉及一种天线阵列设置方法，可用于最小冗余多输入多输出雷达对目标方位的估计。

背景技术

多输入多输出MIMO雷达是E.Fisher等人在2004年国际雷达年会上首次提出的一种新体制雷达，受到了学者们的广泛研究。MIMO雷达通过发射一组正交或不相干波形，在接收端利用匹配滤波器组来抽取各个发射信号分量，从而带来远远大于实际阵元数的自由度，提高了雷达的总体性能。

为了充分利用MIMO雷达所提供的自由度DOF，Chen Chun-Yang等人提出将最小冗余线阵MRA扩展到MIMO雷达上，称作最小冗余MIMO雷达，从而获得尽可能多的DOF，同时提高主瓣抗干扰能力，然而利用这种方法得到的最优阵列结构需要高代价的计算机穷搜。

Jian Dong等人提出利用差集DS、循环差集CDS和几乎差集ADS的组合方法来设计阵列，但这种方法只能给出发射和接收阵列配置的分析解，且实际上已知的差集和循环差集的数量也是有限的。

后来Jian Dong等人又针对发射阵列位置最优给出统计优化算法：遗传算法和模拟退火法，但这些算法也需要巨大的计算量。

Andreas Kirschner等人提出利用已知最小冗余阵列MRA的一种相对容易的MIMO雷达，但现有已知的最小冗余阵列阵元数小于等于17，没有简单的方法来预测更大的最小冗余阵列，不适用于大型阵列的设计。

综上，现有的几种最小冗余MIMO雷达天线阵列虽然均能获得多于阵元数目的自由度，但都存在各自的局限和不完善，因此需要一种新的更简单的阵列设计方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有几种最小冗余MIMO雷达天线阵列的不足，提出一种新的通用最小冗余多输入多输出雷达的天线阵列设置方法，以减小计算量，实现对大阵元数最小冗余MIMO雷达天线阵列的构造。

为实现上述目的，本发明的技术思路是:通过选用一种已知线阵来作为最小冗余MIMO雷达的发射阵列；通过计算发射阵列的差分合成阵列的最大连续虚拟阵元数目，得到接收阵列的单位阵元间隔；通过选用一种已知线阵，根据单位阵元间隔得到最小冗余MIMO雷达的接收阵列。其实现步骤包括如下：

1)根据给定总阵元数K，计算最优的发射阵元数M和接收阵元数N：

1a)从嵌套式阵列NA、超嵌套式阵列SNA和均匀线阵ULA中，确定任意一种线阵，作为发射阵列的阵列结构；

1b)从嵌套式阵列NA、超嵌套式阵列SNA和均匀线阵ULA中，确定任意一种线阵，作为接收阵列的阵列结构；

1c)对于任意给定的总阵元数K，根据所选择的发射阵列和接收阵列的阵列结构，计算发射阵元数M：

若发射阵列为均匀线阵ULA，接收阵列为均匀线阵ULA，则

若发射阵列为均匀线阵ULA，接收阵列为嵌套式阵列NA，则

若发射阵列为均匀线阵ULA，接收阵列为超嵌套式阵列SNA，则

若发射阵列为嵌套式阵列NA，接收阵列为均匀线阵ULA，则

若发射阵列为嵌套式阵列NA，接收阵列为嵌套式阵列NA，则

若发射阵列为嵌套式阵列NA，接收阵列为超嵌套式阵列SNA，则

若发射阵列为超嵌套式阵列SNA，接收阵列为均匀线阵ULA，则

若发射阵列为超嵌套式阵列SNA，接收阵列为嵌套式阵列NA，则

若发射阵列为超嵌套式阵列SNA，接收阵列为超嵌套式阵列SNA，则

其中表示向下取整操作。

1d)根据得到的发射阵元数M，计算接收阵元数N：

N＝K-M；

2)根据发射阵元数M，得到发射阵列的阵元位置{u_T,m}：

{u_T,m}＝{a₁,a₂,…,a_m,…,a_M}·d，

其中a_m表示发射阵列结构的第m个阵元的位置系数，1≤m≤M，M为发射阵列的阵元数目，d表示单位阵元间隔，通常取值为半波长；

3)根据发射阵列的阵元位置{u_T,m}，计算发射阵列的差分合成阵列的最大连续虚拟阵元数目，得到接收阵列的单位阵元间隔D；

4)根据接收阵元数N和单位阵元间隔D，得到接收阵列的阵元位置{u_R,n}：

{u_R,n}＝{b₁,b₂,…,b_n,…,b_N}·D，

其中b_n表示接收阵列结构的第n个阵元的位置系数，1≤n≤N，N为发射阵列的阵元数目。

本发明与现有最小冗余多输入多输出雷达的天线阵列设置方法相比具有以下优点：

1.本发明利用了现有线性阵列来构造最小冗余MIMO雷达的发射、接收阵列，不需要计算机搜索寻优，减少了运算量和设计难度，易于实现对大阵元数最小冗余MIMO雷达天线阵列的构造；

2.当给定总阵元数时，本发明能直接计算出发射阵元数和接收阵元数的最优解，可获得更好性能的最小冗余MIMO雷达天线阵列。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是本发明采用3种阵列设置的差分合成阵列自由度与总阵元数关系比较图；

图3是本发明采用3种阵列设置的阵列孔径与总阵元数关系比较图；

图4是本发明给定总阵元数为6时，发射阵列、接收阵列为均匀线阵ULA的阵列几何结构示意图；

图5是本发明给定总阵元数为6时，发射阵列、接收阵列为嵌套式阵列NA的阵列几何结构示意图；

图6是本发明给定总阵元数为6时，发射阵列、接收阵列为均匀线阵ULA和发射阵列、接收阵列为嵌套式阵列NA的方向图比较。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的内容和效果。

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1：根据给定总阵元数K，计算发射阵元数M和接收阵元数N的最优解。

现有线阵，诸如嵌套式阵列NA、超嵌套式阵列SNA和均匀线阵ULA等，都是利用接收信号的二阶统计量信息来提高阵列自由度DOF，用于估计目标个数大于阵元数情况下的波达方向。这些稀疏阵列的阵元位置都有闭式表达式，因此很容易被用来构造更大的阵列，基于此本步骤就是利用现有线阵的特性，获得发射阵元数M和接收阵元数N的最优解，其实现步骤如下：

1c)根据实际应用场合需求，如飞机，潜艇及移动设备，对于阵列总阵元数K是有限制的，对于任意给定的总阵元数K，根据所选择的发射阵列和接收阵列的阵列结构，计算发射阵元数M，以下给出九种计算发射阵元数M的情况：

第一种，对于发射阵列为均匀线阵ULA，接收阵列为均匀线阵ULA，则

第二种，对于发射阵列为均匀线阵ULA，接收阵列为嵌套式阵列NA，则

第三种，对于发射阵列为均匀线阵ULA，接收阵列为超嵌套式阵列SNA，则

第四种，对于发射阵列为嵌套式阵列NA，接收阵列为均匀线阵ULA，则

第五种，对于发射阵列为嵌套式阵列NA，接收阵列为嵌套式阵列NA，则

第六种，对于发射阵列为嵌套式阵列NA，接收阵列为超嵌套式阵列SNA，则

第七种，对于发射阵列为超嵌套式阵列SNA，接收阵列为均匀线阵ULA，则

第八种，对于发射阵列为超嵌套式阵列SNA，接收阵列为嵌套式阵列NA，则

第九种，对于发射阵列为超嵌套式阵列SNA，接收阵列为超嵌套式阵列SNA，则

其中表示向下取整操作；

1d)根据得到的发射阵元数M，计算接收阵元数N：

N＝K-M。

步骤2：根据发射阵元数M和发射阵列的阵列结构，得到MIMO雷达的发射阵列的阵元位置{u_T,m}：

{u_T,m}＝{a₁,a₂,…,a_m,…,a_M}·d，

其中a_m表示发射阵列结构的第m个阵元的位置系数，1≤m≤M，M为发射阵列的阵元数目，d表示单位阵元间隔，通常取半波长。

步骤3：根据发射阵列的阵元位置{u_T,m}，计算接收阵列的单位阵元间隔D。

由于发射阵列的阵元位置{u_T,m}是由所选择的发射阵列结构决定的，所以根据发射阵列的阵列结构，计算接收阵列的单位阵元间隔D，有如下三种计算单位阵元间隔D的情况：

第一种，对于发射阵列为均匀线阵ULA，则D＝2M-1；

第二种，对于发射阵列为嵌套式阵列NA，则

第三种，对于发射阵列为超嵌套式阵列SNA，则

步骤4：根据接收阵元数N和单位阵元间隔D，得到接收阵列的阵元位置{u_R,n}。

4a)根据接收阵元数N和所选择的接收阵列的阵列结构，得到阵元位置{u_n}：

{u_n}＝{b₁,b₂,…,b_n,…,b_N}，

其中b_n表示阵元位置中第n个阵元的位置系数，1≤n≤N，N为接收阵列的阵元数目；

4b)根据阵元位置{u_n}和单位阵元间隔D，得到接收阵列的阵元位置{u_R,n}：

{u_R,n}＝{b₁,b₂,…,b_n,…,b_N}·D。

至此，本发明的实现步骤已结束，为进一步说明本发明优点，以下步骤给出本发明的特征参数计算，用于后续仿真。

步骤5：根据发射阵列阵元位置{u_T,m}和接收阵列阵元位置{u_R,n}，得到最小冗余多输入多输出雷达的虚拟和阵列的阵元位置{u_SCA}：

{u_SCA}＝{u_T,m}+{u_R,n}＝{c₁,c₂,…,c_i,…,c_MN}，

其中c_i表示虚拟和阵列{u_SCA}的第i个阵元的位置，1≤i≤M·N。

步骤6：根据最小冗余多输入多输出雷达的虚拟和阵列的阵元位置{u_SCA}，计算阵列孔径L：

L＝max{c_i}＝c_MN，

其中max{·}表示取最大值操作。

步骤7：根据最小冗余多输入多输出雷达的虚拟和阵列的结构{u_SCA}，得到差分合成阵列{u_DCA}：

{u_DCA}＝{c_i-c_i′}

其中c_i′表示虚拟和阵列{u_SCA}的第i′个阵元的位置，1≤i′≤M·N。

通过以上步骤得到的差分合成阵列{u_DCA}是一组连续的整数，即完全填充型的，从而带来远远大于实际阵元数的自由度。

本发明的效果通过以下计算仿真进一步说明：

仿真1：对本发明的阵列设置的差分合成阵列的自由度和有效孔径与总阵元数的关系进行仿真。

1.1)仿真条件：总阵元数为936间的连续整数。

1.2)仿真内容与结果：

1.2a)在上述1.1)仿真条件下，对本发明的阵列设置的差分合成阵列自由度与总阵元数的关系进行仿真，结果如图2所示；

1.2b)在上述1.1)仿真条件下，对本发明的阵列设置的有效孔径与总阵元数关系进行仿真，结果如图3所示。

从图2可以看出，差分合成阵列的自由度随总阵元数的增加而增大，当发射阵列、接收阵列为嵌套式阵列NA时，具有最高的自由度。由于相同阵元数的嵌套式阵列NA与超嵌套式阵列SNA具有相同的连续虚拟阵元数，所以图3仅给出3种典型天线阵列设置方法的的差分合成阵列自由度与总阵元数的关系。

从图3可以看出，有效孔径随总阵元数的增加而增大。

仿真2：对本发明2种阵列设置的方向图进行比较仿真。

2.1)仿真条件：设总阵元数为6，发射阵列、接收阵列为均匀线阵ULA和发射阵列、接收阵列为嵌套式阵列NA的阵列，阵列几何结构示意图分别如图4、图5所示。

2.2)仿真内容与结果：

在上述2.1)仿真条件下，对本发明总阵元数为6时，发射阵列、接收阵列为均匀线阵ULA和发射阵列、接收阵列为嵌套式阵列NA的方向图进行比较仿真，结果如图6所示。

从图6可以看出，发射阵列、接收阵列为嵌套式阵列NA的阵列设置旁瓣水平最高，发射阵列、接收阵列为ULA的阵列设置旁瓣水平最低。结合仿真1可知，可以通过选择具有较小虚拟阵列孔径的稀疏阵列，降低最小冗余多输入多输出雷达的天线阵列旁瓣水平。这种权衡的重要性取决于具体的应用情况。

综上，本发明能够以灵活简单的计算，获得更好性能的大型最小冗余多输入多输出雷达的天线阵列。

Claims

1.一种最小冗余多输入多输出雷达的天线阵列设置方法，包括以下步骤：

1a)从嵌套式阵列NA、超嵌套式阵列SNA和均匀线阵ULA中，确定任意一线阵，作为发射阵列的阵列结构；

若发射阵列为均匀线阵ULA，接收阵列为均匀线阵ULA，则

若发射阵列为均匀线阵ULA，接收阵列为嵌套式阵列NA，则

若发射阵列为均匀线阵ULA，接收阵列为超嵌套式阵列SNA，则

若发射阵列为嵌套式阵列NA，接收阵列为均匀线阵ULA，则

若发射阵列为嵌套式阵列NA，接收阵列为嵌套式阵列NA，则

若发射阵列为超嵌套式阵列SNA，接收阵列为均匀线阵ULA，则

其中表示向下取整操作；

1d)根据得到的发射阵元数M，计算接收阵元数N：

N＝K-M；

2)根据发射阵元数M，得到发射阵列的阵元位置{u_T,m}：

{u_T,m}＝{a₁,a₂,…,a_m,…,a_M}·d，

其中a_m表示发射阵列结构的第m个阵元的位置系数，1≤m≤M，M为发射阵列的阵元数目，d表示发射阵列的单位阵元间隔，取值为半波长；

{u_R,n}＝{b₁,b₂,…,b_n,…,b_N}·D，

其中b_n表示接收阵列结构的第n个阵元的位置系数，1≤n≤N，N为接收阵列的阵元数目。

2.根据权利要求1所述的最小冗余多输入多输出雷达的天线阵列设置方法，其中步骤3)中接收阵列的单位阵元间隔D,按如下公式计算:

若发射阵列为均匀线阵ULA，则D＝2M-1；

若发射阵列为嵌套式阵列NA，则

若发射阵列为超嵌套式阵列SNA，则