基于模数混合MIMO阵列的雷达抗干扰波束形成方法与流程

本发明涉及交通雷达抗干扰，尤其涉及一种基于模数混合mimo阵列的雷达抗干扰波束形成方法。

背景技术：

1、交通雷达通常固定安装在道路上，主要用于监测交通状况。这些雷达设备能接收车辆、行人及周边环境反射的回波信号。然而，由于交通雷达处于较为复杂的环境中，容易受到天气、地面杂波及其他电子设备的干扰，使得雷达的感知灵敏度、探测距离及准确性受到影响。

2、因此，亟需一种能够有效抗干扰，确保雷达性能和准确性的波束形成方法。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种基于模数混合mimo阵列的雷达抗干扰波束形成方法。

2、一种基于模数混合mimo阵列的雷达抗干扰波束形成方法，包括以下步骤：根据阵元排布和目标观测角度，构建阵列模型并估计阵列误差，采用基于最小二乘的收发分离校准方法，生成发射校准矩阵和接收校准矩阵；将发射阵列划分为多个子阵，并经相位调制使所述多个子阵间发射正交波形；根据所述发射校准矩阵，对所述多个子阵内阵元的相位进行校准，校准完成后，每个子阵发射相干信号实现发射端波束形成；采用波形解码技术，从接收到的信号中分离并提取来自各个子阵的回波信号，并利用接收校准矩阵，对所述回波信号进行幅度和相位的校准；通过加窗函数控制校准后接收阵列的回波副瓣电平，并通过接收端波束形成调整波束指向。

3、在其中一个实施例中，所述根据阵元排布和目标观测角度构建阵列模型并估计阵列误差，采用基于最小二乘的收发分离校准方法，生成发射校准矩阵和接收校准矩阵，包括：根据目标观测角度θ，得到实际阵列响应为：

4、

5、其中，m为发射天线的个数，n为接收天线的个数，到表示在观测角度θ下发射天线tx1到txm与第一个接收天线rx1的响应，到表示发射天线tx1到txm与第二个接收天线rx2的响应，到表示发射天线tx1到txm与第n个接收天线rxn的响应；将实际阵列响应采用发射天线阵列响应矢量和接收天线阵列响应矢量进行表示，为：

6、

7、式中，式中，表示目标观测角度θ时第x个发射天线的发射天线阵列响应，表示目标观测角度θ时第x个接收天线的接收天线阵列响应的转置；对h个观测角度，获取对应的实际阵列响应，并分别重构为m×n矩阵，拆分得到单独的发射天线阵列响应和接收天线阵列响应，有：

8、

9、则h个观测角度下的实际发射天线阵列响应矩阵为：

10、

11、h个观测角度下的实际接收天线阵列响应矩阵为：

12、

13、对所述实际发射天线阵列响应矩阵和实际接收天线阵列响应矩阵进行校准，有：

14、

15、式中，ct为发射天线校准矩阵，ztx为发射天线调整矩阵，cr为接收天线校准矩阵，zrx为接收天线调整矩阵，atx＝[atx(θ1)，atx(θ2)，...，atx(θh)]为h个观测角度下发射阵列理论导向矢量，arx＝[arx(θ1)，arx(θ2)，...，arx(θh)]为h个观测角度下接收阵列理论导向矢量；将每个发射向量与其对应角度的理想导向矢量进行比较，通过最小化发射目标函数，查找最优发射校准矩阵，所述发射目标函数为：

16、

17、式中，u＝[u(θ1)，u(θ2)，...，u(θk)]是从k个角度收集到的发射向量的集合，|| ||f表示矩阵的弗罗贝尼乌斯范数；对于接收向量，通过最小化接收目标函数，查找最优接收校准矩阵，所述接收目标函数为：

18、

19、式中，v*＝[v*(θ1)，v*(θ2)，...，v*(θk)]是从k个角度收集到的接收向量的共轭转置集合；对每个观测矩阵进行奇异值分解，公式为：

20、

21、将近似为秩为1矩阵，表示为：

22、

23、式中，σ1为最大奇异值，u1是与σ1对应的左奇异值向量，表示mimo天线阵列系统的发射分量，是与σ1对应的右奇异值向量，表示mimo天线阵列系统的接收分量，[·]h表示矩阵的转置；在h个观测角度下，对阵列响应矩阵xreal做奇异值分解：

24、u＝[u1(θ1)，u1(θ2)，...，u1(θh)]；(11)

25、式中，u表示最大奇异值对应的左奇异向量矩阵；

26、

27、式中，v表示最大奇异值对应的右奇异向量的共轭转置矩阵；将查找最优校准矩阵转换为求解最小范数，公式为：

28、

29、通过最小二乘迭代求解最小范数，得到满足范数门限的发射校准矩阵和接收校准矩阵。

30、在其中一个实施例中，所述将发射阵列划分为多个子阵，并经相位调制使所述多个子阵间发射正交波形，包括：将m个发射通道划分为k个子阵，每个子阵内有nt个发射通道，m×k维矩阵t0反应子阵划分情况，对于第k列来说，若第m个阵元属于第k个子阵，则其值为1，否则为0；

31、

32、其中，m＝1，2，...m，k＝1，2，...k，nt·k＝m；假设各阵元天线发射的信号表示为s(t)，在观测角度θ下，未校准的发射阵列响应表示为：

33、

34、式中，x1，x2，...xm表示m个发射天线的发射阵列响应，at(θ)表示在观测角度θ下发射导向矢量，系数α1是信号的缩放因子，代表整个阵列的增益或衰减系数，n(t)＝[n1(t)，n2(t)，...，nm(t)]t表示m个发射信号的噪声矢量；划分子阵后，将k个子阵表示为：

35、

36、式中，[·]t表示矩阵的转置，对子阵间的发射信号进行相位调制，使子阵间发射正交波形。

37、在其中一个实施例中，所述根据所述发射校准矩阵，对所述多个子阵内阵元的相位进行校准，校准完成后，通过发射端波束形成每个子阵内发射相干波形，包括：根据式(13)得到的发射校准矩阵ct表示为：

38、

39、其中，对角线元素为对天线幅相误差的幅相补偿，非对角线元素为对天线耦合效应的幅相补偿；按照子阵划分的顺序，划分为k个nt×nt的子校准矩阵c1，c2，...，ck，子校准矩阵中元素为：

40、

41、模数混合结构下发射端采用移相器控制信号相位，通过移相器进行相位校准，计算得到发射天线的相位校准矩阵为：

42、

43、式中，arg(c1)表示采用旋转矢量法对子校准矩阵c1进行校准；在观测角度θ下，将未校准的发射阵列响应校准后表示为：

44、

45、子阵内通过波束形成发射相干信号，子阵级发射阵列响应表示为：

46、

47、则校准后子阵级发射阵列导向矢量表示为：

48、

49、其中，a(θ)表示在观测角度θ下发射导向矢量，表示阵列划分矩阵的共轭转置，diag(w)表示以向量w的元素作为对角线元素形成的对角矩阵，θ0表示阵元级相移，使方向指向目标角度。

50、在其中一个实施例中，所述采用波形解码技术，从接收到的信号中分离并提取来自各个子阵的回波信号，并利用接收校准矩阵，对所述回波信号进行幅度和相位的校准，包括：采用波形解码技术，对回波进行波形解码，得到kn组回波数据，得到模数混合结构下的实际阵列响应：

51、

52、式中，v(t)＝[v1(t)，v2(t)，...，vkn(t)]t表示接收回波的噪声矢量，表示kronecker积，b(θ)表示接收阵列的导向矢量；采用最小二乘法迭代计算得到接收校准矩阵cr后，得到接收阵列响应经过校准后的表达式：

53、

54、式中，α＝α1α2，u(t)为校准后接收信号的噪声矢量。

55、在其中一个实施例中，所述通过加窗函数控制校准后接收阵列的回波副瓣电平，并通过接收端波束形成调整波束指向，包括：

56、假定在θ0方向形成波束，且在接收方向图上加低副瓣窗函数win，得到接收方向图保持低副瓣电平的权矢量：

57、

58、其中，b(θ0)表示在θ0方向接收阵列的导向矢量，表示hadmard积；

59、采用波束形成，并经过权矢量加权的接收信号为：

60、y(t)＝bwin(θ0)·ycal(t)；(26)

61、得到模数混合mimo雷达阵列的联合权矢量为：

62、

63、相比于现有技术，本发明的优点及有益效果在于：根据阵元排布和目标观测角度，构建阵列模型并估计阵列误差，采用基于最小二乘的收发分离校准方法，生成发射校准矩阵和接收校准矩阵，将发射阵列划分为多个子阵，并经相位调制使多个子阵间发射正交波形，根据发射校准矩阵，对多个子阵内阵元的相位进行校准，校准完成后，每个子阵内发射相干波形实现波束形成，结合mimo雷达的高自由度和相控阵雷达的高增益优点，能够有效保持高增益，同时整体阵列保留mimo雷达在角度高分辨和目标检测等方面的优势；采用波形解码技术，从接收到的信号中分离并提取来自各个子阵的回波信号，并利用接收校准矩阵，对回波信号进行幅度和相位的校准，通过加窗函数控制校准后接收阵列的回波副瓣电平，并通过接收端波束形成调整波束指向，采用幅相校准和波束形成，在天线耦合的情况下，实现对特定区域的增强接收和对潜在干扰区域的有效抑制，增强了雷达系统在复杂环境中的适应性和抗干扰能力，提高雷达检测概率并降低雷达虚警概率。

技术特征：

1.一种基于模数混合mimo阵列的雷达抗干扰波束形成方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于模数混合mimo阵列的雷达抗干扰波束形成方法，其特征在于，所述根据阵元排布和目标观测角度构建阵列模型并估计阵列误差，采用基于最小二乘的收发分离校准方法，生成发射校准矩阵和接收校准矩阵，包括：

3.根据权利要求2所述的基于模数混合mimo阵列的雷达抗干扰波束形成方法，其特征在于，所述将发射阵列划分为多个子阵，并经相位调制使所述多个子阵间发射正交波形，包括：

4.根据权利要求3所述的基于模数混合mimo阵列的雷达抗干扰波束形成方法，其特征在于，所述根据所述发射校准矩阵，对所述多个子阵内阵元的相位进行校准，校准完成后，通过发射端波束形成每个子阵内发射相干波形，包括：

5.根据权利要求4所述的基于模数混合mimo阵列的雷达抗干扰波束形成方法，其特征在于，所述采用波形解码技术，从接收到的信号中分离并提取来自各个子阵的回波信号，并利用接收校准矩阵，对所述回波信号进行幅度和相位的校准，包括：

6.根据权利要求5所述的基于模数混合mimo阵列的雷达抗干扰波束形成方法，其特征在于，所述通过加窗函数控制校准后接收阵列的回波副瓣电平，并通过接收端波束形成调整波束指向，包括：

技术总结
本发明提供一种基于模数混合MIMO阵列的雷达抗干扰波束形成方法，包括：根据阵元排布和目标观测角度，构建阵列模型并估计阵列误差，采用基于最小二乘的收发分离校准方法，生成发射和接收校准矩阵；将发射阵列划分为多个子阵，并使多个子阵间发射正交波形；根据发射校准矩阵，对多个子阵内阵元的相位进行校准，并通过发射相干信号实现波束形成；采用波形解码技术，从接收到的信号中分离并提取各个子阵的回波信号，并利用接收校准矩阵，对回波信号进行幅相校准；通过加窗函数控制校准后接收阵列的回波副瓣电平，并通过接收端波束形成调整波束指向。本发明能够增强雷达在复杂环境中的适应性和抗干扰能力，提高雷达检测概率并降低虚警概率。

技术研发人员：张龙,雷伟,周丽萍,付增辉,郑乐,于子洵,黄旭,吴会彩,马俊
受保护的技术使用者：河北省交通规划设计研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5