提高mimo-stap檢測(cè)性能的穩(wěn)健波形優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種提高M(jìn)IMO-STAP檢測(cè)性能的穩(wěn)健波形優(yōu)化方法，步驟包括：（1）建立MIMO-STAP模型（2）針對(duì)空時(shí)頻導(dǎo)向矢量存在估計(jì)誤差的場(chǎng)景，建立實(shí)際空時(shí)頻導(dǎo)向矢量模型，據(jù)此表述穩(wěn)健波形優(yōu)化問題；（2）對(duì)應(yīng)用對(duì)角加載方法，將穩(wěn)健波形優(yōu)化問題松弛為SDP問題，從而可以利用諸多成熟優(yōu)化工具箱獲得高效求解。本發(fā)明所提出的穩(wěn)健波形優(yōu)化方法考慮了求解波形優(yōu)化問題所需參數(shù)存在估計(jì)誤差時(shí)的穩(wěn)健設(shè)計(jì)問題，更貼近于實(shí)際場(chǎng)景，因而更具有較高的實(shí)用價(jià)值，并且利用對(duì)角加載方法將此穩(wěn)健優(yōu)化問題松弛為SDP問題，從而可以獲得高效求解。
【專利說明】提高M(jìn)IMO-STAP檢測(cè)性能的穩(wěn)健波形優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于信號(hào)處理領(lǐng)域，更進(jìn)一步涉及用以提高M(jìn)MO-STAP檢測(cè)性能的穩(wěn)健波形優(yōu)化方法。基于通過設(shè)計(jì)發(fā)射波形最大化輸出信干噪比(SINR)以改善系統(tǒng)檢測(cè)性能的思想，所提方法考慮了優(yōu)化波形所需參數(shù)存在估計(jì)誤差從而造成系統(tǒng)性能對(duì)此估計(jì)誤差敏感的問題。通過將參數(shù)估計(jì)誤差顯式地包含到波形優(yōu)化問題中，對(duì)發(fā)射波形以及參數(shù)估計(jì)誤差進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，從而改善波形優(yōu)化方法的穩(wěn)健性能。該方法可以顯著提高最壞情況下的系統(tǒng)檢測(cè)性能，從而可顯著降低波形優(yōu)化方法對(duì)參數(shù)估計(jì)誤差的敏感性，因而具有較好的工程實(shí)用性。
【背景技術(shù)】
[0002]目標(biāo)檢測(cè)是雷達(dá)系統(tǒng)的一項(xiàng)基本任務(wù)。為改善系統(tǒng)檢測(cè)性能，在相控陣系統(tǒng)中，研究人員基本上把注意力放在接收端，即研究如何利用加權(quán)的方法提高系統(tǒng)檢測(cè)性能，而對(duì)發(fā)射端基本不做過多考慮。隨著MMO雷達(dá)成為越來越多研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)，一些學(xué)者開始研究基于MMO雷達(dá)的目標(biāo)檢測(cè)。經(jīng)過最近幾年的研究，MIMO雷達(dá)相對(duì)于相控陣?yán)走_(dá)在目標(biāo)檢測(cè)上的優(yōu)勢(shì)逐漸為人們所認(rèn)識(shí)，這種優(yōu)勢(shì)來自于波形分集在統(tǒng)計(jì)MMO雷達(dá)系統(tǒng)中的性能類似于MMO通信中衰落信道上的多徑分集，從而能夠顯著提高系統(tǒng)的檢測(cè)性能。然而，與傳統(tǒng)的相控陣?yán)走_(dá)相似，近年來，多數(shù)研究人員主要通過對(duì)MMO雷達(dá)接收端的處理來提高系統(tǒng)檢測(cè)性能，而對(duì)于發(fā)射端，則只簡(jiǎn)單要求發(fā)射不相關(guān)波形(或者正交波形)。通過發(fā)射端或者發(fā)射端與接收端聯(lián)合處理以改善檢測(cè)性能的研究則甚少見諸于文獻(xiàn)。B.Friedlander首先研究了發(fā)射波形對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)性能的影響，并以輸出信干噪比(SINR)為目標(biāo)函數(shù)，利用基于梯度的方法以及其他幾類次優(yōu)方法優(yōu)化波形以最大化輸出SINR，從而改善系統(tǒng)檢測(cè)性能。需要指出的是，此文獻(xiàn)中基于梯度的方法需要考慮步長(zhǎng)選擇，并且不能保證迭代的每一步中SINR非遞減，因而所提方法不能保證收斂。針對(duì)此問題，C.Y.Chen等提出一種新的迭代方法對(duì)發(fā)射波形以及接收濾波器進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。此方法能夠保證收斂，并且能夠確保在迭代的每一步，目標(biāo)函數(shù)值非遞減。
[0003]空時(shí)自適應(yīng)處理(STAP)是從上個(gè)世紀(jì)九十年代初發(fā)展起來的，用于對(duì)機(jī)載雷達(dá)(airborne radar)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的技術(shù)。STAP技術(shù)在軍事和民用中都有著廣泛的應(yīng)用，t匕如，地質(zhì)監(jiān)測(cè)，預(yù)警，地面動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(GMTI )，動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTI )，區(qū)域偵查等。對(duì)于傳統(tǒng)的相控陣?yán)走_(dá)，STAP基礎(chǔ)理論研究已相當(dāng)成熟。許多用于改善STAP復(fù)雜性以及收斂性的算法業(yè)已被提出。這些算法稍微經(jīng)過修改就可以應(yīng)用于MMO雷達(dá)。D.ff.Bliss以及K.W.Forsythe提出了 MMO-STAP的概念。由于MMO-STAP是最近幾年才提出的新概念，相關(guān)的文獻(xiàn)還比較少。C.Y.Chen等人提出一種新的估計(jì)雜波子空間的方法，此方法利用了問題的幾何特點(diǎn)以及干擾協(xié)方差矩陣特殊的塊對(duì)角結(jié)構(gòu)，從而與全域自適應(yīng)方法相比可以顯著降低計(jì)算復(fù)雜度。在一般發(fā)射波形的場(chǎng)景下，Wang G.等深入研究了 MIM0-STAP的雜波秩與發(fā)射波形的關(guān)系，并給出確定雜波秩的準(zhǔn)則。
[0004]雖然B.Friedlander以及C.Y.Chen通過優(yōu)化發(fā)射波形提高M(jìn)MO雷達(dá)的檢測(cè)性能，然而并沒有將此思想應(yīng)用于MMO-STAP中。而Wang G.雖然對(duì)MMO-STAP進(jìn)行了較為深入的研究，然而也僅限于接收端的數(shù)據(jù)處理。針對(duì)此問題，我們?cè)谥耙呀?jīng)較為深入研究了通過波形優(yōu)化提高M(jìn)MO-STAP檢測(cè)性能。
[0005]需要指出的是，通過設(shè)計(jì)波形提高系統(tǒng)檢測(cè)性能的優(yōu)化問題的求解需要目標(biāo)參數(shù)的確切值，比如目標(biāo)位置，多普勒頻率等。然而，在實(shí)際環(huán)境中，這些參數(shù)只能通過估計(jì)得到，因而不可避免的存在誤差。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，基于某個(gè)估計(jì)值，所得到的波形可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)在實(shí)際參數(shù)值上得到較差的檢測(cè)性能，即對(duì)參數(shù)估計(jì)誤差比較敏感。針對(duì)此問題，本發(fā)明考慮了提高M(jìn)MO-STAP檢測(cè)性能的穩(wěn)健波形優(yōu)化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]基于以上不足，本發(fā)明考慮了用以提高M(jìn)MO-STAP檢測(cè)性能的穩(wěn)健波形優(yōu)化方法。此方法通過將參數(shù)估計(jì)誤差顯式地包含到波形優(yōu)化問題中，對(duì)發(fā)射波形以及參數(shù)估計(jì)誤差進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，從而改善波形優(yōu)化方法的穩(wěn)健性能。該方法可以顯著提高最壞情況下的系統(tǒng)檢測(cè)性能，從而可顯著降低波形優(yōu)化方法對(duì)參數(shù)估計(jì)誤差的敏感性，因而具有較好的工程實(shí)用性。
[0007]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的基本思路表述如下:假設(shè)空時(shí)頻導(dǎo)向矢量I不確知，但存在于一確知的凸緊支集內(nèi)，通過將此參數(shù)估計(jì)誤差顯式地包含到波形優(yōu)化問題中，對(duì)發(fā)射波形以及參數(shù)估計(jì)誤差進(jìn)行聯(lián) 合優(yōu)化，最大化最差情況下的輸出信干噪比(SINR)，從而得到提高M(jìn)IM0-STAP檢測(cè)性能的穩(wěn)健優(yōu)化波形問題的數(shù)學(xué)模型。由于此聯(lián)合優(yōu)化問題是關(guān)于發(fā)射波形以及參數(shù)估計(jì)誤差的復(fù)雜非線性最大最小問題，因而非常難以求解。為此，我們首先考慮
內(nèi)層優(yōu)化問題，可知由于當(dāng)真實(shí)空時(shí)導(dǎo)向矢量^位于對(duì)應(yīng)于矩陣+最小
特征值的特征矢量所指方向時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)MMO-STAP檢測(cè)性能最差的情況，由此可求解內(nèi)
層優(yōu)化問題，而后，利用對(duì)1^應(yīng)用對(duì)角加載方法，可將外層波形優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為SDP問題，
從而可獲得高效求解。具體步驟包含如下:
(I)表述輸出SINR
la) MMO-STAP接收信號(hào)描述
考慮如說明書附圖之圖1所示MMO-STAP場(chǎng)景。此場(chǎng)景中，MMO雷達(dá)的發(fā)射陣列和接收陣列均為均勻線陣，且平行放置，陣元數(shù)分別力Jf和況，陣元間距分別為4和《4。雷達(dá)平臺(tái)沿平行于發(fā)射、接收陣列的方向勻速直線飛行，飛行高度和速度分別為A和V。目標(biāo)沿與發(fā)射、接收陣列法線夾角為馬的直線勻速運(yùn)動(dòng)，速度為K，且與雷達(dá)平臺(tái)處于同一平面。在一個(gè)相干處理間隔(CPI)內(nèi)，各發(fā)射陣元同時(shí)輻射由I個(gè)脈沖組成的脈沖串波形，且脈沖重復(fù)間隔(PRI)為F。將距離環(huán)離散化為外(巧0 個(gè)小單元，則第i個(gè)PRI內(nèi)的接收數(shù)據(jù)可表示為:
式中，b=[iy.2艱氣-?掌-1Xjr和h=[iy切氣…y2_-w"]r分別表示目標(biāo)以及位于4的雜波發(fā)射導(dǎo)向矢量
【權(quán)利要求】
1.提高M(jìn)IMO-STAP檢測(cè)性能的穩(wěn)健波形優(yōu)化方法，包括如下步驟: (I)表述輸出SINR la) MMO-STAP接收信號(hào)描述 MMO雷達(dá)的發(fā)射陣列和接收陣列均為均勻線陣，且平行放置，陣元數(shù)分別為M和況，陣元間距分別為A和A ,雷達(dá)平臺(tái)沿平行于發(fā)射、接收陣列的方向勻速直線飛行，飛行高度和速度分別為A和I目標(biāo)沿與發(fā)射、接收陣列法線夾角為馬的直線勻速運(yùn)動(dòng)，速度為η,且與雷達(dá)平臺(tái)處于同一平面，在一個(gè)相干處理間隔(CPI)內(nèi)，各發(fā)射陣元同時(shí)輻射由￡個(gè)脈沖組成的脈沖串波形，且脈沖重復(fù)間隔(PRI)為T，將距離環(huán)離散化為iVM￡)個(gè)小單元，則第f個(gè)PRI內(nèi)的接收數(shù)據(jù)可表示為:
【文檔編號(hào)】G01S7/02GK103852749SQ201410039785
【公開日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2014年1月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月28日
【發(fā)明者】王洪雁, 裴炳南, 汪祖民, 劉艷, 裴騰達(dá) 申請(qǐng)人:大連大學(xué)