机载MIMO雷达最优发射波形合成结构设计

赵红言,贺 刚 ,林晋福周万银,苏 兮张西川,李孟达曹 晖

(1.空军工程大学 理学院,西安 710051;2.空军工程大学 科研部信息中心,西安710051;3.空军工程大学 训练部,西安 710051;4.空军装备部,北京 100161)

1 引 言

多功能、一体化是第三代预警机的重要技术特征,其中将对地/海监视与对空监视的一体化结合是未来预警机发展的重要思路。如美军正计划将E-8“联合警戒与目标攻击雷达系统”和E-3的对空监视系统结合起来形成一体化的预警监视系统[1-3]。随着对预警监视的军事需求的日益提高,又迫切需要增加预警机的航时,降低载机负荷,减少造价。

机载多输入多输出(Multiple Input Multiple Out-put,MIMO)雷达具有非常灵活的工作模式,它可以通过自适应调整各发射阵元的发射信号的相干性,灵活实现发射子阵的实时合成,而不同的发射子阵合成结构又具有不同的目标探测特性和检测性能,因此机载MIMO雷达在多功能预警探测和任务、环境自适应方面具有极大的潜力。文献[4]研究了MIMO雷达非均匀线阵结构,研究得出非均匀线阵能够产生更多的有效虚拟阵元,降低了均匀配置的MIMO雷达阵列虚拟阵元的冗余数量,研究表明该结构具有更多的空间自由度、更好的克拉美-罗界和更好的到达方向角(Direction of Arrive,DOA)估计性能。加州工学院沈俊阳以及华中科技大学董建等人基于传统相控阵雷达接收端最小冗余阵列的设计思想,针对均匀线阵配置下虚拟阵元冗余度高的问题,分别提出了发射阵列配置设计的最小冗余阵列设计算法和基于差集理论的最小冗余算法[5-6],有效提高了MIMO雷达的阵元利用率。西安电子科技大学也对该问题进行了详细研究,并提出了一系列MIMO雷达阵列优化配置的高效算法[7-12]。

以上各文献中所研究天线阵列的设计方法是在一定阵元数量下,通过调整收发阵列元的物理间距实现整个阵列的最小冗余,得到最优设计方案,然后依据该方案进行天线的生产制造,这些方法均为静态的离线设计方法。而文中所提的研究方法是在机载MIMO雷达物理结构固定时,如何依据实战中预警探测的任务需求实时自适应调整各发射阵元的波形相干合成结构以及接收阵列的子阵合成结构,使得机载MIMO雷达在GMTI任务模式下探测性能最优。

2 GMTI模式下的最优发射波形合成结构设计

当机载MIMO雷达具有M个发射阵元、N个接收阵元的线性阵列,以GMTI模式进行探测时,由于目标检测所关心的低慢速小目标主要分布于主杂波附近,通过对发射波形任意合成结构对杂波抑制性能影响的分析可得,非均匀划分的子阵结构具有更好的改善因子。此时以主杂波附近杂波抑制性能的最优为目标,在接收阵列子阵合成结构固定情况下的发射波形合成结构设计的最优化问题可描述如式(1),此处称之为基于改善因子性能最优的OTWSS设计方法。

其中,fIF(Θ)表示与发射波形合成结构有关的改善因子表达式。

其中,S为导向矢量。且有杂波协方差矩阵

式中,T由合成结构 Θ决定,RO表示全正交MIMO雷达时的杂波协方差矩阵。

综上所述,在GMTI探测模式下的实现流程如图1所示。任务切换雷达系统依据任务需求选择GMTI探测模式后进行阵列结构的优化调整,优化的策略采用式(1)。

图1 最优发射波形合成结构设计流程图Fig.1 Design flow chart of optimal transmitted waveform synthetic structure

3 仿真实验

设定发射正交波形个数Q=4;发射通道数 M=16,接收通道数N=8;最大可用阵元数Nmax=64;λ=0.23 m。杂噪比CNR=60 dB。接收阵元间距均为 dR=λ/2,发射阵元间距为 dT=α dR。

GMTI模式下依据式(1)IF-OTWSS方法进行最优化设计,图2给出了机载MIMO雷达在该模式的发射波形结构的最优集合。当Q=8时最优集合为Θopt={1,5,1,1,1,1,5,1},如图 2(a)所示,其中参照发射波形合成结构为 Θ={2,2,1,3,3,1,2,2}。当Q=4时对应最优集合为 Θopt={7,1,1,7},如图2(b)所示,其中参照发射波形合成结构为 Θ={5,3,3,5}。可见由该最优结构下主杂波附近目标的最小可检测速度(MDV)有了较大降低。MDV<10 m/s范围内最优发射波形合成结构(最优TWSS)改善因子明显高于均匀发射波形合成结构(均匀TWSS)。相比均匀发射波形结构,随着目标速度减小,最优阵列STAP性能下降不大,因此本文对低慢速小目标的检测性能优势越明显。如图2(b)所示,当Q=4、待检测目标速度为5 m/s时,最优发射波形合成结构下的输出改善因子比均匀阵列的改善因子高约6 dB。当待检测目标速度增大时,如图20 m/s处,均匀TWSS的性能上升并与非均匀TWSS的性能趋于一致。对比图2(a)、(b)可得Q越大,IF越高,对目标的检测性能越好。

图2 最优发射波形合成结构Fig.2 Optimal transmitted waveform synthetic structure

图3 给出了经500次蒙特卡罗仿真得出的最优TWSS和均匀TWSS分别在Q=8和Q=4,归一化改善因子为-6 dB时,平均MDV随CNR的变化曲线,可见在杂噪比较低时,均匀TWSS和最优TWSS的性能相近,甚至高于最优TWSS,但随着CNR上升,可视为待检测多普勒区域逐渐靠近主杂波区域,杂波强度逐渐增大,最优TWSS的MDV逐渐变小,检测性能优于均匀TWSS。可见该模式下本文算法设计的发射波形合成结构具有较好的性能。

图3 MDV随CNR的变化曲线Fig.3MDV vs.CNR

4 结 论

本文主要研究了发射波形影响下的机载MIMO雷达最优发射波形合成结构的设计问题,提出了对地/海监视任务模式下的最优阵列合成结构设计方法。研究得出如下结论:

(1)本文算法得出的最优子阵合成结构是一种非均匀子阵划分结构,最优结构内由于子阵内的阵元数不等,避免了均匀子阵划分在等效相位中心间距超出半波长时出现的栅瓣现象,极大地提高了系统杂波抑制和目标检测性能;

(2)由于MIMO雷达在各杂波分布区域的杂波抑制效果不同,在GMTI探测模式下,为了提高系统探测性能,应当使得正交波形的个数Q尽量大。

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