一种基于四相编码和优化阵列的MIMO STAP实现方法*

2013-06-27梁永强吴昊天王兴亮

电讯技术 2013年11期

关键词：天线导向编码

梁永强,李伟,吴昊天,王兴亮,郭浪

(空军工程大学信息与导航学院,西安710077)

一种基于四相编码和优化阵列的MIMO STAP实现方法*

梁永强,李伟**,吴昊天,王兴亮,郭浪

(空军工程大学信息与导航学院,西安710077)

多输入多输出(MIMO)雷达多信号间正交性和天线阵列结构影响空时自适应处理(STAP)性能。为了提高多信号间正交性,提出了基于遗传算法优化提高四相编码的自相关峰值并降低互相关峰值方法,保证了多发射信号间良好正交性,基本抑制了盲速影响。针对天线阵列稀疏导致盲速、阵元密布导致天线孔径过小的问题,基于最大连续孔径思想,提出了一种优化阵列结构,在不显著增加天线阵列长度和阵元数目条件下,与四相编码信号结合,实现了动目标检测。仿真实验证明,基于四相编码正交信号和收发阵列设计,MIMO STAP可实现良好动目标检测性能。

多输入多输出雷达;空时自适应处理;四相编码;优化阵列;遗传算法;动目标检测

1 引言

收发同置多输入多输出(MIMO)雷达[1]可同时发射和接收多个相互正交信号,导向向量为收、发天线导向向量卷积,具有更长虚拟孔径,天线配置更为灵活,可实现高分辨率、大范围观测、高动目标显示和参数估计等性能,具有重要军事和民用价值。收发同置MIMO雷达具有高自由度,其潜在空时自适应处理(STAP)性能受到关注。本文针对MIMO STAP研究正交编码分集实现,使用优化天线阵列提高STAP性能。

MIMO雷达多个发射信号可保持良好互正交性,能提高系统自由度,抑制栅瓣。Sammartino等[2]将频率分集引入到MIMO雷达中,但频率分集会提高系统复杂度和成本,灵活性不足。B.J.Donnet[3]、刘波[4]和Yu Zhang[5]对OFDM信号在MIMO雷达中的应用进行了研究,但不同信号间频率间隔过小会导致信号间正交性较低,间隔过大会导致目标及杂波分辨单元散射特性对不同信号散射特性完全不同;Li Jian[6]基于Cramer-Rao界对信号波形进行了优化,并使用长256位的随机噪声码对Hadamard码进行调制,获得了较理想的角度估计性能。Xiufeng Song等[7]从博弈的角度对MIMO雷达信号设计准则进行了研究,虽没给出具体信号形式,但为复杂电磁环境中信号设计提供了方向。本文基于可提供良好自相关和互正交性能的相位编码信号开展研究。

对收发同置MIMO雷达天线设计的研究很多[8-13],但大多基于长阵列孔径可提高空间分辨率展开,如将最小冗余阵列(MRA)应用于对发射阵列和接收阵列的联合优化,降低冗余,提高阵列的自由度及波束形成性能。这些研究大多只是从提高方向估计精度的角度出发,在阵元数目一定时尽可能增大有效阵列孔径,或孔径一定时尽量减少阵元数目,这些阵列结构应用到MIMO STAP时不但可能无法提升MTI性能,反而有可能影响杂波谱抑制。

本文第2节介绍MIMO STAP几何结构和基本原理,第3节是四相编码信号和天线设计,第4节进行仿真与分析,最后是结束语。

2 MIMO STAP基本原理

假设MIMO雷达平台距地球表面高度为H,发射阵列含阵元nT个,阵元间距为dT,接收阵列含阵元nR个,阵元间距为dR,地面运动目标速度为v,某一瞬间相对于发射阵列和接收阵列的角度为θ,距发射天线和接收天线距离分别为Rt和Rr。

图1 收发同置MIMO雷达几何结构图Fig.1 Geometry of a colocated MIMO radar

采用四相编码分集时,发射机多个天线同时发射多个相互正交的相位编码信号,空间向量可表示为as(θ)=aT(θ)⊗aR(θ),其中发射空间导向向量和接收空间导向向量分别表示为

时间导向向量可表示为

其中,M为脉冲数,时间导向向量内元素个数为信号种类和脉冲个数的乘积。

总导向向量为空间导向向量和时间导向向量的Kronecker积,可表示为

所有接收天线接收到的目标信号为Z(t)= atotal(θ,v)S(t-2R/c),通过矩阵求逆等运算,得到最优空时二维权值,表示为

其中,目标导向向量由θ和速度v决定。改善因子是表征雷达动目标检测能力的重要手段,此处改善因子可表示为

其中,SS是每个距离门空间导向向量与时间导向向量的Kronecker积。

3 四相编码信号和天线阵列设计

3.1 信号的选择和产生

本文提出基于四相编码信号研究MIMO STAP实现方法。

3.1.1 四相编码信号

相位编码信号的表达式为

信号的复包络函数为

MIMO雷达使用的多个四相编码信号,各自的自相关函数应具有良好主旁瓣比,各码之间应具有良好互正交性能。本文将依据自相关和非相关函数对码进行优化。

要使多个四相编码信号保持良好正交性,就需要各信号的自相关函数具有良好主旁瓣比,各信号间的互正交函数无峰值或峰值很低。本文将依据自相关和非相关函数对码进行优化。自相关函数和互相关函数的数学表达式可表示为

3.1.2 适应度函数

设一个码集内四相码的个数为N,为基于遗传算法展开搜索,定义适应度函数为

其中,等号右边第一项为自相关函数的主旁瓣比的倒数;第二项为码集内所有码之间互相关系数之和的倒数;w1和w2分别是两个不同加权值,即自适应尺度因子,用于确定不同指标对于搜索过程的影响,同时,可防止不正常舍弃将搜索过程引向误区,出现早熟,过早收敛于局部最优解;cross_coef()为任意两个码之间的互相关系数;const是为保证分母不为0而设置的常数。采用遗传算法搜索具有最优正交性能的编码。

本文假设存在nT个发射天线阵元,基于遗传算法产生nT个相互正交的相位编码信号。

3.1.3 多普勒容限分析

四相编码信号属多普勒敏感信号,常用于目标多普勒变化范围较窄情况,多普勒容限由子码宽度和码长决定,表达式为,其中Q为码长,τ为子码宽度,此处四相编码信号长度为180位,子码宽度为10-8s,以3 GHz载频为例,最大可探测速度超过3倍音速,满足实际需求。

3.2 天线阵列设计

使用均匀密布阵,不会出现栅瓣,也就不会出现盲速,这也是很多研究选取均匀阵列的原因所在。但均匀阵列存在冗余过多缺点,过多阵元对具有相同间隔,使得雷达效费比(效能/代价比)过低。

为减少冗余,在阵元数目不变的条件下提高动目标检测性能,采用发射阵列稀疏和接收阵元密布的天线结构。本文从现有阵列结构出发,综合考虑均匀阵列和优化阵列,发现MIMO雷达中使用稀疏优化发射阵列和密布优化接收阵列时可获得具有更高动目标检测(MTD)性能的最长连续天线孔径,等效虚拟孔径更长,空间分辨率更高,STAP性能更好。

收发天线阵列中若发射稀疏阵列阵元间距与接收阵元最小间距的比值为接收阵列长度减1,则可保证合成后虚拟孔径为密布阵,进而保证良好的MTD性能。

优化时,设平台尺寸限定虚拟天线阵列最大长度为L0,由平台尺寸或天线安放位置决定,阵元数目最大为N0,由发射阵元和接收阵元数目之和决定,有N0=nT+nR。则优化算法为优化后的阵元间距与正交编码一起即可带来良好的MIMO STAP性能。

4 仿真

假设MIMO雷达平台采用单发多收(SIMO)天线时共有6个接收阵元,采用MIMO天线时拥有4个发射阵元和6个接收阵元,则基于本文方法搜索到的阵列结构为发射阵列为[0 1 4 6],阵元间距为半波长的30倍,接收阵列结构为[0 1 5 11 26 30],阵元间距为半波长,发射端杂波噪声功率比为30 dB,虚警概率为10-6。四组正交编码长度均为180位,载频为3 GHz。地面场景中存在一运动目标,相对于雷达平台的方向角度为25°,速度为5 m/s,信噪比为0 dB,基于本文产生的正交编码和阵列结构进行仿真。

(1)改善因子比较

如图2所示,采用一个信号、一个阵列的单发多收天线,若阵列稀疏,阵元间距为6倍波长,则改善因子曲线中杂波位置没有出现凹口,无法进行动目标检测;采用均匀密布阵即阵元间距为半波长时的SIMO天线可实现杂波抑制和动目标检测,但与各种MIMO天线阵列相比较性能较差;采用多发多收即MIMO天线阵列结构时,若天线阵列为密布阵即阵元间距为半波长时,动目标检测性能相对各种SIMO情况有提高,但性能改善有限;在采用发阵稀疏而接收阵列使用优化阵列结构后,动目标检测性能进一步得到提高。比较均匀密布SIMO和发阵稀疏收阵优化MIMO的动目标检测性能可见,采用了优化后天线阵列结构的MIMO雷达动目标检测性能得到了明显改善。

图2 SIMO、MIMO及各种天线改善因子对比Fig.2 IF comparison between SIMO and MIMO

(2)最优空时响应比较

如图3所示,SIMO采用稀疏阵列结构时,不但不能提高速度分辨率,而且会导致无法进行动目标检测。相比之下,MIMO雷达的多普勒分辨率更高,杂波谱抑制更准确,同时,与均匀密布阵MIMO相比,优化阵MIMO等效阵列长度更长,因此速度分辨率即多普勒分辨率更高,杂波谱抑制凹口更为准确,性能更好。

图3 各种天线的最优空时响应对比Fig.3 Optimized space-time response of various arrays

(3)最小可检测速度(MDV)比较

根据本文算法和虚警概率可知,在杂噪比达到35 dB时,仍可以实现动目标检测。由图4可见,均匀密布阵列SIMO雷达可实现MDV约为13 m/s,而使用优化阵列的MIMO雷达的MDV可达到10 m/s,体现了四相编码和优化阵列的优势。

图4 MIMO和SIMO的改善因子与速度关系对比Fig.4 Relation between IF and velocity of MIMO and SIMO

5 结束语

MIMO雷达动目标检测性能依赖于正交信号分集和天线阵列结构,与二相编码和均匀阵列相比,结合多个相互正交四相编码信号和优化天线阵列结构可获得更高自由度,在没有显著增加天线阵列长度条件下,实现了10 m/s的最小可检测速度,获得了更高STAP性能。下一步将在相位编码信号基础上探索生成更新体制信号。

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LIANG Yong-qiang was born in Xi′an, Shaanxi Province,in 1980.He received the B.S. degree in 2001.He is now a graduate student. His research concerns key technology of MIMO radar.

李伟(1978—),男,山东济宁人,2006年于国防科技大学获博士学位,现为副教授,主要从事MIMO雷达关键技术研究,已发表论文30余篇;

LI Wei was born in Jining,Shandong Province,in 1978. He received the Ph.D.degree in 2006.He is now an associate professor.His research concerns key technology of MIMO radar. He has published more than 30 papers.

Email:liwei_xian@yahoo.com.cn

吴昊天(1990—),男,河南商丘人,空军工程大学信息与导航学院硕士研究生,主要研究方向为MIMO雷达关键技术;

WU Hao-tian was born in Shangqiu,Henan Province,in 1990.He received the B.S.degree in 2012.He is now a graduate student.His research concerns key technology of MIMO radar.

王兴亮(1957—),男,陕西渭南人,空军工程大学信息与导航学院教授,主要研究方向为MIMO雷达关键技术。

WANG Xing-liang was born in Weinan,Shaanxi Province,in 1957.He is now a professor.His research concerns key technology of MIMO radar.

Method for MIMO STAP Based on Four-phase Code and Coarray

LIANG Yong-qiang,LI Wei,WU Hao-tian,WANG Xing-liang,GUO Lang
(College of Information and Navigation,Air Force Engineering University,Xi′an 710077,China)

Structure of the antenna array and orthogonality between signals greatly affects the Space-Time A-daptive Processing(STAP)performance of a Multiple Input Multiple Output(MIMO)radar.In order to enhance the cross orthogonality between multiple signals,a method based on genetic algorithm(GA)is proposed to increase autocorrelation peak and lower cross-correlation peak.In order to eliminate blind speed caused by sparse array and solve the problem of aperture being too short caused by complete dense structure, a coarray structure is proposed based on the idea of getting longer continuous aperture.High STAP performance is realized without too long array aperture.Simulation testifies that MIMO STAP can achieve high moving target detection performance through design of orthogonal signals and transmit-receive array.

MIMO radar;STAP;four-phase code;coarray;genetic algorithm;moving target detection

The National Natural Science Foundation of China(61302153);The Natural Science Foundation of Shaanxi Province (2011JQ8040);Space Funds(20122096011)

date:2013-07-31;Revised date:2013-09-25

基金支持:国家自然科学基金资助项目(61302153);陕西省自然科学基金资助项目(2011JQ8040);航空基金项目(20122096011)

**通讯作者:liwei_xian@yahoo.com.cn Corresponding author:liwei_xian@yahoo.com.cn

TN957

1001-893X(2013)11-1441-05