Mimo天波超視距雷達(dá)波形優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明主要涉及MMO天波超視距雷達(dá)信號處理領(lǐng)域，包括從接收信號反饋進(jìn)行 發(fā)射波形優(yōu)化。。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的天波超視距雷達(dá)主要通過電離層的反射探測1000公里以上的目標(biāo)，工作 在3-30MHZ的高頻頻段，具有早期預(yù)警和反隱身性能強(qiáng)等特點(diǎn)。但是由于電離層電子濃度 的不規(guī)則性使回波信號疊加了一個隨機(jī)擾動，造成雜波譜的展寬；另外來自海面、地面的 強(qiáng)大雜波干擾通常大于目標(biāo)信號，天波超視距雷達(dá)在探測慢速目標(biāo)時通常性能受到諸多限 制。有時為了使雷達(dá)有效地工作，需要進(jìn)行長時間的相干時間積累，這種積累一般在30秒 以上，但是電離層的隨機(jī)變化嚴(yán)重地影響了相干積累的效果。可以說，天波超視距雷達(dá)面臨 的問題是多樣的，這些問題如果不能夠很好得解決，其目標(biāo)檢測性能就得不到改善，其優(yōu)勢 也就無從體現(xiàn)。
[0003] 近年來，將MMO雷達(dá)技術(shù)用于天波超視距雷達(dá)的研究中，其原理就是通過發(fā)射和 接收分集技術(shù)，提高雷達(dá)的抗干擾能力，從而改善目標(biāo)檢測能力和系統(tǒng)性能。但現(xiàn)有研究均 是基于單層簡單電離層模型，并沒有體現(xiàn)出MIMO雷達(dá)技術(shù)的優(yōu)勢，因?yàn)镸IMO雷達(dá)系統(tǒng)總是 要比相當(dāng)配置的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的信噪比低，也就是說對于單一方向探測目標(biāo)，相控陣?yán)?達(dá)系統(tǒng)的性能總是不會比MIMO雷達(dá)差。雖然可以通過想干積累時間來彌補(bǔ)，但是正如前文 所說，相干時間過長會帶來更多的問題。在天波系統(tǒng)中，MMO雷達(dá)技術(shù)真正的優(yōu)勢在于可 以同時向多方向發(fā)射窄波束且擴(kuò)展性和靈活性較好，而相控陣?yán)走_(dá)受限于體制無法同時發(fā) 射多個方向的窄波束。
[0004] 由于電離層擾動、海雜波等強(qiáng)干擾源是時變的，需要一種可以根據(jù)接收信號進(jìn)行 自適應(yīng)處理的發(fā)射波形優(yōu)化方法，本發(fā)明基于兩層電離層的MMO-OTHR模型，提出了一種 基于互信息理論的兩步驟波形優(yōu)化方法，該方法降低不同DOA多徑回波的相關(guān)性和噪聲對 系統(tǒng)性能的影響，使得最終的目標(biāo)檢測概率有明顯的提高。
[0005] 該方法第一步是通過最大化相同DOA回波中的回波信號和目標(biāo)傳播響應(yīng)之間的 互信息，從而降低噪聲對系統(tǒng)性能的影響。第二步則是通過最小化不同DOA角度之間回波 的互信息，來減少不同DOA多徑回波的相關(guān)性從而進(jìn)行雜波抑制；兩步驟得到的發(fā)射波形 使目標(biāo)分辨率和檢測概率明顯提升。這樣的結(jié)果同時也說明，與傳統(tǒng)雷達(dá)認(rèn)為多徑傳播會 降低系統(tǒng)性能不同，MIM0-0THR中多徑回波是可以利用起來，提高目標(biāo)分辨率、檢測跟蹤等 性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提出了一種MMO天波超視距雷達(dá)波形優(yōu)化方法，包括：
[0007] 步驟1，初始時刻t= 0,發(fā)射初始的線性調(diào)頻連續(xù)波，經(jīng)過電離層的E層和F層反 射的波束，通過最小方差無失真響應(yīng)（MVDR)自適應(yīng)波束形成方法，得到兩個不同到達(dá)方向 (DOA)的回波Ya|t =。和Ye|t =Q;其中，t=O時刻的RHaM、Ri1Jf=O、R@qM、 通過電離層探測器獲得的已知信息進(jìn)行預(yù)先設(shè)置，是t= 0時刻a方向的信道響 應(yīng)矩陣的協(xié)方差，是t= 〇時刻P方向的信道響應(yīng)矩陣的協(xié)方差，R0alf^是t= 〇時刻a方向的噪聲協(xié)方差，是t= 0時刻P方向的噪聲協(xié)方差；
[0008] 步驟2,在一定的發(fā)射功率Ptl條件下，最大化同一DOA回波中接收到的回波和目標(biāo) 傳播響應(yīng)之間的互信息，最大化I(Ya;HaIX)或I(Ye;HeIX)得到相對應(yīng)的發(fā)射波形X能夠 使噪聲對目標(biāo)檢測的影響降到最低，在兩個不同的波達(dá)方向（DOA)，其信道響應(yīng)矩陣為Ha 和He，I(Ya;Ha |X)表示給定X的情況下，￥。和11。之間的互信息；I(Ye;He |X)表示給定X 的情況下，Yf^PH0之間的互信息；找到對應(yīng)的若干個滿足條件的Xt= 1的集合;
[0009] 步驟3,對Ya|t =Ye|t = ^，在一定的發(fā)射功率Ptl條件下，最小化兩個不同DOA的 窄波束回波之間的互信息I(Ya，Ye)，找到中滿足條件的發(fā)射波形Xt = 1;
[0010] 步驟4,在t= 1時刻發(fā)射上一時刻找到的優(yōu)化波形Xt = 1;類推，在t+1時刻，發(fā)射 在t時刻找到的優(yōu)化波形Xt+1，并計(jì)算得到t+1時刻、IV、~，、rO,的值；
[0011] 步驟5,重復(fù)以上步驟2-4。
[0012] 其中步驟2中，最大化同一DOA回波中接收到的回波和目標(biāo)傳播響應(yīng)之間的互信 息為：
[0013] 通過最大化以下兩個公式之一，找到最大化I(Ya;HaIX)或I(Ye;HeIX)相對應(yīng)的 發(fā)射波形X，
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種ΜΙΜΟ天波超視距雷達(dá)波形優(yōu)化方法，包括： 步驟1，初始時刻t = 0,發(fā)射初始的線性調(diào)頻連續(xù)波，經(jīng)過電離層的E層和F層反射 的波束，通過最小方差無失真響應(yīng)（MVDR)自適應(yīng)波束形成方法，得到兩個不同到達(dá)方向 (DOA)的回波Ya|t = Q和Y e|t = Q;其中，t = 0時刻的
通過電離層探測器獲得的已知信息進(jìn)行預(yù)先設(shè)置，RHJi=G是t = 0時刻a方向的信道響 應(yīng)矩陣的協(xié)方差，Rni=?是t= 〇時刻β方向的道響應(yīng)矩陣的協(xié)方差，是t= 〇時刻a方向的噪聲協(xié)方差，R<_>. M是t = 0時刻β方向的噪聲協(xié)方差； 步驟2,在一定的發(fā)射功率Ptl條件下，最大化同一DOA回波中接收到的回波和目標(biāo)傳播 響應(yīng)之間的互信息，最大化I (Ya ;H a IX)或I (Ye ;H e IX)得到相對應(yīng)的發(fā)射波形X能夠使噪 聲對目標(biāo)檢測的影響降到最低，在兩個不同的波達(dá)方向（DOA)，其信道響應(yīng)矩陣為H a和H e， I (Ya ;H a IX)表示給定X的情況下，Ya和H a之間的互信息；I (Y e e IX)表示給定X的情況 下，Ye和H 0之間的互信息；找到對應(yīng)的若干個滿足條件的Xt = 1的集合; 步驟3,對Ya |t =凋Y e |t = ^，在一定的發(fā)射功率Ptl條件下，最小化兩個不同DOA的窄波 束回波之間的互信息I (γα，Ye)，找到SX/=i中滿足條件的發(fā)射波形Xt = 1; 步驟4,在t = 1時刻發(fā)射上一時刻找到的優(yōu)化波形Xt = 1;類推，在t+Ι時刻，發(fā)射在t 時刻找到的優(yōu)化波形Xt+1，并計(jì)算得到t+Ι時亥
，的值； 步驟5,重復(fù)以上步驟2-4。
2. 如權(quán)利要求1所述的MIMO天波超視距雷達(dá)波形優(yōu)化方法， 其中步驟2中，最大化同一 DOA回波中接收到的回波和目標(biāo)傳播響應(yīng)之間的互信息 為： 通過最大化以下兩個公式之一，找到最大化I (Ya ;H a IX)或I (Ye ;H e IX)相對應(yīng)的發(fā)射 波形X，
N為接收天線的根數(shù)。
3. 如權(quán)利要求1所述的MIMO天波超視距雷達(dá)波形優(yōu)化方法， 其中步驟3中，最小化兩個不同DOA的窄波束回波￥"和Y 3之間的互信息為：
找到令上式最小化的發(fā)射波形X，其中，Imxm是維度為MXM的單位矩陣， 是由協(xié)方差矩陣$的奇異值組成的對角矩陣，且Cl1S d 2彡…d M， 又和寫分別為Y α和Y e的白化矩陣。
【專利摘要】MIMO雷達(dá)技術(shù)在發(fā)射端和接收端均可以進(jìn)行波束形成，特別是可以同時向不同方向發(fā)射窄波束，恰好可以滿足天波超視距雷達(dá)對多層電離層探測和抑制較強(qiáng)雜波的需求。本發(fā)明將兩層電離層結(jié)構(gòu)應(yīng)用到MIMO超視距雷達(dá)(OTHR)系統(tǒng)中，并針對OTHR受海雜波和電離層影響而導(dǎo)致的雜噪比(CNR)比較高的特點(diǎn)，提出了一套信號處理方法：包括通過互信息理論的兩步驟方法對發(fā)射波形進(jìn)行自適應(yīng)優(yōu)化。仿真驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)上述方法對目標(biāo)檢測概率和分辨率有明顯提升，說明MIMO-OTHR能夠利用多徑回波改善目標(biāo)檢測和其他系統(tǒng)性能。
【IPC分類】G01S7-02
【公開號】CN104678362
【申請?zhí)枴緾N201510111364
【發(fā)明人】羅楊
【申請人】電子科技大學(xué)
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年3月13日