专利名称：数字阵列雷达自适应发射置零方法
技术领域：
本发明属于雷达技术领域，涉及一种自适应发射置零，特别是利用雷达接收的数据对干扰方向进行发射置零，可用于抗干扰与反侦察。
背景技术：
由于数字器件在雷达系统的广泛应用，使得由此产生的数字阵列雷达具有很多优点，其中之一是数字阵列雷达每个阵元可以发射不同的信号。受通信领域中MIMO技术及综合脉冲孔径雷达SLAR的启发，2003年Rabideau 和 Parker 提出了 MIMO 雷达概念，见[Rabideau D. J. and Parker P. · Ubiquitous MlMOMultifunction Digital Array Radar[C]. Conference Record of the 37th AsilomarConference on Signals, Systems and Computers, 2003, vol. l,pp.1057-1064]。 之后，这一概念在雷达领域引起了人们的广泛关注。根据发射天线和接收天线的间距大小，可以将MIMO雷达分为分布式MIMO雷达和集中式MIMO雷达两类。对于分布式MIMO雷达来说，由于各个天线对目标有不同的观测视角以及目标回波的独立性，在统计意义下， 这类MIMO雷达可以克服目标的闪烁效应从而提高雷达对目标的探测性能。对于集中式 MIMO雷达来说，其特点是阵元间距较小，具有自由地设计每副天线波形的能力。与相控阵雷达相比，集中式MIMO雷达的自由度提高了，从而MIMO雷达呈现出更多的优越性，如参量分辨力的提高、更自由的发射方向图设计能力等，见[Li J. andStoica P. . MIMO Radar With Colocated Antennas[J]. IEEE Signal Processing Magazine, Sep.2007, vol. 24, PP. 106-114]。因此，集中式MIMO雷达的许多应用可以通过数字阵列雷达实现。由于数字阵列雷达可以通过各阵元发射不同的信号，来获得某种实际需要的方向图，为此根据实际需要设计发射波形成为必需。目前基于波形分集的发射方向图设计方法是先设计发射信号的相关矩阵R，再根据已设计的相关矩阵R合成发射波形X。对于R的设 if, Petre Stoica和Jian Li提出了方向图匹配设计和最小化旁瓣设计，如[Stoica P.， Li J. , Xie Y. . On probing signal design for ΜΙΜΟ radar[J]. IEEE Trans. onSignal Processing. 2007，vol. 55 (8). 4151-4161]文中所述对设计中所建立的凸规划模型可采用凸优化工具包 cvx 求解，cvx 的具体用法见[M. Grant and S. Boyd. CVX =Matlabsoftware for disciplined convex proRramminR. http://Stanford, edu/ boyd/cvx, Dec. 2008]。 该设计方法是基于最小二乘准则的，使由R得到的方向图尽可能的逼近期望方向图。对于根据相关矩阵R合成发射波形X，Petre Moica和Jim Li提出了 CyCliCalgorithm(CA) 算法，见[Stoica P.，Li J.，Zhu X. . Waveform Synthesis for Diversity-BasedTransmit Beampattern Design. IEEE Trans, on Signal Processing. 2008，vol. 56(6). 2593-2598]。 该设计方法是基于最小二乘准则的循环算法，逐步使得恒模信号波形矩阵X的相关矩阵逼近已优化的R。在雷达工作的实际环境中，由于不可避免的存在干扰、人为干扰和反辐射导弹，这些限制了雷达正常工作的性能，也给雷达的生存带来了挑战。如果雷达不向干扰方向辐射能量，即在干扰附近产生零陷，这样可以降低无源干扰的影响，避免了敌方释放有源干扰的可能。并且，也降低了被反辐射导弹检测到的危险。对于数字阵列雷达，通过对发射波形的设计可以获得某种特定的方向图或者实现某种要求，其中之一就是使感兴趣方向分配一定能量的同时对于存在干扰的方向辐射尽可能低的能量。虽然已有的算法在优化相关矩阵时可以保证干扰方向形成较好的零陷，但从信号相关矩阵R合成信号波形矩阵X时，已有的CA算法往往无法保证在干扰方向形成足够的零陷。由于受信号波形矩阵X是恒模矩阵的限制，实际获得的X的相关矩阵只能近似于R，无法保证足够的零陷，因此可能会被敌方干扰机或反辐射导弹侦察到。

发明内容
本发明的目的在于克服上述CA方法对于发射置零的不足，提出了数字阵列雷达自适应发射置零方法，以通过设计发射信号波形，实现发射方向图干扰方向的置零，避免被干扰机侦测到的可能。为实现上述目的，本发明包括以下两种技术方案技术方案1 数字阵列雷达在干扰源方向未知情况下的发射置零方法，包括如下步骤1)雷达在发射信号前，首先用接收阵列接收空间中的非相干的干扰信号，得到接收数据Y1,该巧e Cn^m，Ns表示采样点数，M表示阵元个数，C表示复数域，再求取该接收数据的相关矩阵民的主特征向量Vi，i = 1，L，K即大特征值对应的特征向量，组成特征矩阵 V = [vi; L，νκ]，K表示非相干的干扰信号源个数；2)根据实际需要设定期望方向图Pd，利用干扰信号相关矩阵民的主特征向量信息 V= [V1, L，νκ]，得到置零条件tr (VhRV) = 0，在置零条件约束下采用方向图匹配算法优化发射信号的相关矩阵R，此步骤也可采用最小化旁瓣方法优化相关矩阵；3)对已优化的相关矩阵R，采用CA方法设计发射信号波形矩阵X，该X e Cnxm, N 表示信号码长，M表示阵元个数，C表示复数域；将发射信号波形矩阵X表示成向量形式X = [X1, &，L xM]，其中ι = [Xl,m，x2,m, L，％m]T表示第m个天线发射的恒模信号，m = 1，L，M， x ’m = Vftm表示X第η行第m列的元素，η = 1，L，N，其中队， 表示元素的相位；4)对获得的发射信号波形矩阵X各元素的相位按如下步骤进行修正，实现自适应发射置零4a)设定最大的相位调整量Δ，Δ e [5°，10° ]，初始化行标与列标η = l,i = 1，η表示波形矩阵X的行标，i表示波形矩阵X的列标；4b)设x ，,=e~表示波形矩阵X的第η行第i列元素，令g(m) = [Vnul，L，vm,K]T，其中g(m)代表Vt的第m列，m= 1，L，M，Vnbl表示特征矩阵V第m行第1列的元素，1 = 1，L， K，计算与xn, i无关的分量b和与xn, i有关的分量c
权利要求
1.一种数字阵列雷达在干扰源方向未知情况下的发射置零方法，包括如下步骤1)雷达在发射信号前，首先用接收阵列接收空间中的非相干的干扰信号，得到接收数据Y1,该巧G Cn^m，Ns表示采样点数，M表示阵元个数，C表示复数域，再求取该接收数据的相关矩阵民的主特征向量Vi，i = 1，L，K，即大特征值对应的特征向量，组成特征矩阵V = [V1, L，νκ]，K表示非相干的干扰信号源个数；2)根据实际需要设定期望方向图Pd，利用干扰信号相关矩阵R1的主特征向量信息V= [V1, L，νκ]，得到置零条件tr (VhRV) = 0，在置零条件约束下采用方向图匹配算法优化发射信号的相关矩阵R ；3)对已优化的相关矩阵R，采用CA方法设计发射信号波形矩阵X，该Xe Cnxm, N表示信号码长，M表示阵元个数，C表示复数域；将发射信号波形矩阵X表示成向量形式X = [X1, &，L xM]，其中ι = [Xl,m，x2,m, L，％m]T表示第m个天线发射的恒模信号，m = 1，L，M， Xthm = Vftm表示X第η行第m列的元素，η = 1，L，N，其中队， 表示元素的相位；4)对获得的发射信号波形矩阵X各元素的相位按如下步骤进行修正，实现自适应发射置零4a)设定最大的相位调整量Δ，Δ e [5°，10° ]，初始化行标与列标η = l,i = Ln 表示波形矩阵X的行标，i表示波形矩阵X的列标；4b)设x ，, =一~表示波形矩阵X的第η行第i列元素，令g(m) = [Vnbl，L，vm,K]T，其中 g(m)代表Vt的第m列，m= 1，L，M，Vnbl表示特征矩阵V第m行第1列的元素，1 = 1，L，K， 计算与xn, i无关的分量b和与xn, i有关的分量c
2.根据权利要求1所述的数字阵列雷达在干扰源方向未知情况下的发射置零方法，其中步骤1)所述的求取接收数据相关矩阵民的主特征向量Vi，i = 1，L，K，按如下步骤进行la)计算相关矩阵尺=IfFi ； 2lb)对相关矩阵R1进行特征分解，即R1 = (^(^，其中对角阵
3.根据权利要求1所述的数字阵列雷达在干扰源方向未知情况下的发射置零方法，其中步骤2、所述的在置零条件约束下采用方向图匹配算法优化发射信号的相关矩阵R，按如下步骤进行2a)建立如下凸规划数学模型
4.根据权利要求1所述的数字阵列雷达在干扰源方向未知情况下的发射置零方法，其中步骤2)所述的根据实际需要设定期望方向图Pd，按如下步骤进行2c)根据感兴趣的方向θ s，确定传统相控阵雷达分别指向θ s时的波束Ps，其主瓣区域分别为QnL, Qj，其中S= IL J，J为感兴趣方向的个数；2d)以各波束Ps的主瓣组成期望方向图Pd，即 ρ人θ\
5.一种数字阵列雷达在干扰方向已知情况下的发射置零方法，包括如下步骤(1)设干扰方向为Qi,i = 1，L，K，K表示干扰个数，构造干扰方向矩阵V= [8(9^, 1^，&(91 )]，其中乂9》表示干扰导向矢量，i = 1，L，K;(2)根据实际需要设定期望方向图Pd，利用方向矩阵V=[8(9^, L, a(eK)]，得到置零条件tr (VhRV) = 0，在该置零条件约束下采用最小化旁瓣算法优化发射信号的相关矩阵 R；(3)对已优化的相关矩阵R，采用CA方法设计发射信号波形矩阵X，该Xe Cnxm, N表示信号码长，M表示阵元个数，C表示复数域；将发射信号波形矩阵X表示成向量形式X = [X1, &，L xM]，其中ι = [Xl,m，x2,m, L，％m]T表示第m个天线发射的恒模信号，m = 1，L，M， Xthm = Vftm表示X第η行第m列的元素，η = 1，L，N，其中队， 表示元素的相位；(4)对获得的发射信号波形矩阵X各元素的相位按如下步骤进行修正，实现发射置零(4a)设定最大的相位调整量Δ，Δ e [5°，10° ]，初始化行标与列标η = 1，i = 1， η表示波形矩阵X的行标，i表示波形矩阵X的列标；(4b)设x ，,=e~表示波形矩阵X的第η行第i列元素，令g(m) = [Vnbl，L，vm,K]T，其中 g(m)代表Vt的第m列，m= 1，L，M，Vnul表示方向矩阵V第m行第1列的元素，1 = 1，L，K， 计算与xn, i无关的分量b和与xn, i有关的分量c
6.根据权利要求5所述的数字阵列雷达在干扰方向已知下的发射置零方法，其中步骤 (2)所述的在该置零条件约束下采用最小化旁瓣算法优化发射信号的相关矩阵R，按如下步骤进行(6a)建立如下凸规划数学模型
7.根据权利要求5所述的数字阵列雷达在干扰源方向未知下的发射置零方法，其中步骤( 所述的根据期望的主瓣宽度设定期望方向图Pd，按如下步骤进行(7a)确定符合主瓣宽度要求的传统相控阵雷达的波束Pt，记Pt的主瓣区域为 (7b)以波束Pt的主瓣作为期望方向图Pd，即
全文摘要
本发明公开一种数字阵列雷达自适应发射置零的方法，主要解决现有方法在发射信号设计过程中无法保证在干扰方向形成足够零陷的问题。其实现过程是1.在干扰源方向未知的情况下，雷达发射信号前，选取接收数据相关矩阵大特征值对应的特征向量构造特征矩阵，或在干扰方向已知情况下，用干扰导向矢量构造方向矩阵；2.设定期望方向图，并利用特征矩阵或方向矩阵按照一定准则设计发射信号的相关矩阵；3.根据已优化的相关矩阵，采用CA方法设计恒模的发射信号波形矩阵；4.利用修正方法，对获得的波形矩阵各元素的相位进行调整，以实现发射置零。本发明可在空间中干扰源位置未知或已知的情况下，进行发射信号设计以实现发射置零。
文档编号G01S7/36GK102175995SQ20111002637
公开日2011年9月7日 申请日期2011年1月25日 优先权日2011年1月25日
发明者刘宏伟, 戴奉周, 王旭, 胡亮兵 申请人:西安电子科技大学