合成稀疏阵列MIMO雷达联合波束方向图的方法及系统转让专利
申请号 : CN202110447925.0
文献号 : CN113176540B
文献日 : 2022-04-19
发明人 : 孙璐 , 郝洁 , 陈兵 , 邓海
申请人 : 南京航空航天大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种合成稀疏阵列MIMO雷达联合波束方向图的方法,其特征在于,包括:获取均匀线性的MIMO雷达联合波束方向图收发阵列结构,记为均匀线性阵列结构,所述收发阵列结构包括接收阵列结构和发射阵列结构,阵列结构的阵元放置在由栅格点构成的线阵下;
根据所述均匀线性阵列结构构建稀疏的MIMO雷达联合波束方向图收发阵列结构,记为稀疏阵列结构;根据所述均匀线性阵列结构构建稀疏的MIMO雷达联合波束方向图收发阵列结构,包括:
将所述均匀线性阵列结构分成三部分子阵列结构,分别记为第一子阵列、第二子阵列和第三子阵列;所述第一子阵列和第三子阵列对应的阵列孔径分别等于L1和L3,且中心位置固定;所述第二子阵列对应的阵列孔径为F,所述第二子阵列中心位置在长度为L2的第二子阵列可移动范围中移动,其中,L=L1+L2+L3,L为所述栅格点的总个数,L1为第一子阵列的长度,L2为第二子阵列可移动范围的长度,L3为第三子阵列的长度;
对所述稀疏阵列结构中的阵元进行二进制编码,其中1表示栅格点有阵元,0表示栅格点无阵元,得到稀疏阵列结构中的收发位置指示向量;所述收发位置指示向量包括接收位置指示向量和发射位置指示向量;
根据所述均匀线性阵列结构和收发位置指示向量得到稀疏阵列结构中的阵元位置;计算稀疏阵列结构中的阵元位置的具体公式为:其中,xt为均匀线性阵列结构中发射阵元的位置,xr为均匀线性阵列结构中接收阵元的位置,表示哈达玛积,wt为稀疏阵列结构中的发射位置指示向量,wr为稀疏阵列结构中的接收位置指示向量;
获取目标函数,所述目标函数用于降低MIMO雷达联合波束方向图的峰值旁瓣电平;
根据所述目标函数对所述稀疏阵列结构中的阵元位置进行优化求解,得到稀疏阵列结构中最优的阵元位置;
获取均匀线性的MIMO雷达的联合波束方向图表达式;
根据所述稀疏阵列结构中最优的阵元位置和所述表达式得到稀疏阵列下MIMO雷达联合波束方向图。
2.根据权利要求1所述的合成稀疏阵列MIMO雷达联合波束方向图的方法,其特征在于,所述稀疏阵列结构中的收发位置指示向量为:其中,wt为稀疏阵列结构中的发射位置指示向量,wr为稀疏阵列结构中的接收位置指示向量,L1为第一子阵列的长度,L2为第二子阵列可移动范围的长度,L3为第三子阵列的长度。
3.根据权利要求1所述的合成稀疏阵列MIMO雷达联合波束方向图的方法,其特征在于,所述目标函数为 其中,fs,max表示fMIMO(θ)在旁瓣域内的最大峰值,fm,max表示fMIMO(θ)在主瓣域内的最大峰值,fitness表示目标函数,xm表示发射阵列的第m个阵元的位置,xn表示接收阵列的第n个阵元的位置,M表示发射阵列的阵元数,N表示接收阵列的阵元数,θ表示目标所在的空间角度,λ表示波长, 表示克罗内克积,∑·表示求和操作。
4.根据权利要求1所述的合成稀疏阵列MIMO雷达联合波束方向图的方法,其特征在于,所述均匀线性的MIMO雷达的联合波束方向图表达式为:其中,fT(θ)表示发射方向图,fR(θ)表示接收方向图,xm表示发射阵列的第m个阵元的位置,xn表示接收阵列的第n个阵元的位置,M表示发射阵列的阵元数,N表示接收阵列的阵元数,θ表示目标所在的空间角度,λ表示波长, 表示克罗内克积,∑·表示求和操作。
5.一种合成稀疏阵列MIMO雷达联合波束方向图的系统,其特征在于,包括:均匀线性阵列结构获取模块,用于获取均匀线性的MIMO雷达联合波束方向图收发阵列结构,记为均匀线性阵列结构,所述收发阵列结构包括接收阵列结构和发射阵列结构,阵列结构的阵元放置在由栅格点构成的线阵下;
稀疏阵列结构构建模块,用于根据所述均匀线性阵列结构构建稀疏的MIMO雷达联合波束方向图收发阵列结构,记为稀疏阵列结构;根据所述均匀线性阵列结构构建稀疏的MIMO雷达联合波束方向图收发阵列结构,包括:将所述均匀线性阵列结构分成三部分子阵列结构,分别记为第一子阵列、第二子阵列和第三子阵列;所述第一子阵列和第三子阵列对应的阵列孔径分别等于L1和L3,且中心位置固定;所述第二子阵列对应的阵列孔径为F,所述第二子阵列中心位置在长度为L2的第二子阵列可移动范围中移动,其中,L=L1+L2+L3,L为所述栅格点的总个数,L1为第一子阵列的长度,L2为第二子阵列可移动范围的长度,L3为第三子阵列的长度;
二进制编码模块,用于对所述稀疏阵列结构中的阵元进行二进制编码,其中1表示栅格点有阵元,0表示栅格点无阵元,得到稀疏阵列结构中的收发位置指示向量;所述收发位置指示向量包括接收位置指示向量和发射位置指示向量;
阵元位置确定模块,用于根据所述均匀线性阵列结构和收发位置指示向量得到稀疏阵列结构中的阵元位置;计算稀疏阵列结构中的阵元位置的具体公式为:其中,xt为均匀线性阵列结构中发射阵元的位置,xr为均匀线性阵列结构中接收阵元的位置,表示哈达玛积,wt为稀疏阵列结构中的发射位置指示向量,wr为稀疏阵列结构中的接收位置指示向量;
目标函数获取模块,用于获取目标函数,所述目标函数用于降低MIMO雷达联合波束方向图的峰值旁瓣电平;
优化求解模块,用于根据所述目标函数对所述稀疏阵列结构中的阵元位置进行优化求解,得到稀疏阵列结构中最优的阵元位置;
表达式获取模块,用于获取均匀线性的MIMO雷达的联合波束方向图表达式;
联合波束方向图计算模块,用于根据所述稀疏阵列结构中最优的阵元位置和所述表达式得到稀疏阵列下MIMO雷达联合波束方向图。
说明书 :
合成稀疏阵列MIMO雷达联合波束方向图的方法及系统
技术领域
背景技术
阵列,相比于相控雷达有明显优势而成为热门的新雷达模式。而非均匀阵列可以用更少的
阵元数实现更优的性能。系统阵元的数目直接影响到了系统的成本、复杂度以及处理速度。
因此,将MIMO雷达系统和非均匀阵列的布阵方式相结合,能够用更少的阵元数获得更高的
性能,对其进行深入研究具有十分重要的意义。
波束方向图的方法大致分为下面几类:确定性方法、压缩感知类方法和智能优化方法。确定
性方法和压缩感知类方法的本质是使用最少的阵元数以较小的误差来匹配预先设定的阵
列方向图,但是这两种方法都需要提前给定期望的波束方向图,这在工程实际中是很难得
到的,增加了实际操作的困难性;其次,对阵列孔径进行小间隔的离散划分,使得这两种方
法得到最终阵元位置会相隔太近,而在实际中不可得,又进一步的增加了工程操作的困难
性,而对阵列孔径进行大间隔的离散划分,会使得得到的波束方向图误差较大,难以满足应
用的需求。相比之下,智能优化算法能够得到全局最优,同时约束最小的阵元间距,已越来
越多地应用于天线优化布阵中。但是在现有的智能优化类算法的研究中,如遗传算法(GA),
通常存在着在求解时局部搜索能力较差,使得在进化后期求解能力变弱,导致早熟现象而
得到次优解;而且,进化后期种群内相似个体较多,固定概率的交叉和变异概率使种群内个
体扰动较小,不能满足进化需求,从而得不到最优解。所以的这些缺陷会最终导致得到的雷
达联合波束方向图有较高的旁瓣水平和展宽的主瓣波束,影响后续的目标检测、参数估计
等性能,同时使用的天线阵元数的占有率较高,增加了工程成本。
发明内容
高了雷达的目标检测、参数估计的性能。
点构成的线阵下;
收位置指示向量和发射位置指示向量;
心位置固定;所述第二子阵列对应的阵列孔径为F,所述第二子阵列中心位置在长度为L2的
第二子阵列可移动范围中移动,其中,L=L1+L2+L3,L为所述栅格点的总个数。
长度。
中的接收位置指示向量。
fitness表示目标函数,xm表示发射阵列的第m
个阵元的位置,xn表示接收阵列的第n个阵元的位置,M表示发射阵列的阵元数,N表示接收
阵列的阵元数,θ表示目标所在的空间角度,λ表示波长, 表示克罗内克积,∑·
表示求和操作。
阵元数,θ表示目标所在的空间角度,λ表示波长, 表示克罗内克积,∑·表示求
和操作。
阵列结构的阵元放置在由栅格点构成的线阵下;
位置指示向量包括接收位置指示向量和发射位置指示向量;
收发阵元数得到主瓣较窄峰旁瓣水平更低的雷达联合波束方向图,提高了雷达的目标检
测、参数估计的性能。
附图说明
例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图
获得其他的附图。
具体实施方式
本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例,都属于本发明保护的范围。
的数据在适当情况下可以互换,以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或
描述的那些以外的顺序实施。此外,术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形,意图在于覆
盖不排他的包含,例如,包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于
清楚地列出的那些步骤或单元,而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品
或设备固有的其它步骤或单元。
的雷达稀疏收发阵列的框架下,将代替操作、自适应的交叉和变异概率引进GA优化过程中,
进一步提高算法的全局寻优能力,避免陷入次优解,同时有效增强种群多样性,在解空间内
充分搜索,改善GA在阵元位置优化问题中的求解能力,最终可以利用较少的雷达收发阵元
数得到主瓣较窄峰旁瓣水平更低的雷达联合波束方向图,提高了雷达的目标检测、参数估
计的性能。
题,然后利用改进的GA对收发阵元位置进行优化,以得到最优的收发阵元位置。本发明旨在
提供一种新型的收发阵列结构,将代替操作和自适应的交叉变异概率融合进GA中,从而扩
大种群多样性,跳出次优解,以提高改进算法的寻优能力。
阵列不仅优化内部阵元位置,第二子阵列中心位置也要在第一子阵列和第三子阵列之间优
化;接收阵列作相同的处理。新型MIMO雷达阵列框图如图1所示,这种新型的稀疏收发阵列
能够在有限孔径下使用更少的阵元,由于第二子阵列的移动性使得新型收发阵列有更多的
灵活性,能够在优化过程中形成多种排布方式,从而扩大了解空间的求解范围。
的百分之九十的个体直接保留构成新种群的一部分,(保留了原种群较好的基因),将适应
度不好的百分之十的个体利用加入和声搜索扰动的差分进化算法进行优化,将优化后的个
体作为新种群的另一部分(对原种群不好的基因进行改造,增强种群多样性);然后比较新
种群与当前种群中的每个个体的适应度值,保留适应度更小的个体,构成最终的优化新种
群。
应度值的波动程度;将交叉概率和变异概率制定为此方差的函数,以自适应的改变交叉概
率和变异概率。
整交叉和变异概率,使进化回归到正常范围内,提高得到最优解的概率。
由栅格点构成的线阵下;
长。由阵列天线理论,MIMO雷达发射阵和接收阵的方向函数分别表示为:
对应的激励幅度在此默认为1。根据MIMO雷达的基本原理,MIMO雷达的联合波束方向图表达
式如下:
表示克罗内克积,∑·表示求和操作。
一种新型的MIMO雷达稀疏收发阵列的排布方式:将发射阵列分成三部分子阵列,其中第一
子阵列和第三子阵列对应的阵列孔径分别等于L1和L3,且中心位置固定,而第二子阵列对
应的阵列孔径为F,所述第二子阵列中心位置在长度为L2的第二子阵列可移动范围中移动,
其中,L=L1+L2+L3,其中,L1为第一子阵列的长度,L2为第二子阵列可移动范围的长度,L3
为第三子阵列的长度。接收阵列作相同的处理。
量包括接收位置指示向量和发射位置指示向量;
元素,1表示栅格点有阵元,0表示栅格点无阵元。为保证各部分子阵列孔径及整体阵列孔径
不变,需要在各子阵列的首尾处放置阵元。接收阵列作相同的处理。因此,收发阵列的阵元
位置编码可以采用二进制编码方式:
和第三子阵列的长度,而L2是第二子阵列可移动范围的长度。
量。
如步骤3。之后利用适应度函数进行评估并排序,依据排序的适应度值对种群Q进行分叉处
理,将适应度较好的百分之九十的个体直接保留构成新种群P的一部分,而将适应度较差的
百分之十的个体利用加入和声搜索扰动的差分进化算法进行优化,将优化后的个体作为新
种群P的另一部分。差分进化算法的更新公式为:
加入了和声搜索算法的扰动,不易陷入局部最优,增强了种群多样性。
化的早熟程度:
接收阵元位置。新型阵列下改进遗传算法的操作流程如图4所示。
阵元数,θ表示目标所在的空间角度,λ表示波长, 表示克罗内克积,∑·表示
求和操作。
改进GA优化算法有效。
结构,阵列结构的阵元放置在由栅格点构成的线阵下;
收发位置指示向量包括接收位置指示向量和发射位置指示向量;
的当前种群,有效的避免了降低了种群陷入次优解的概率,且整体种群均以好的趋势进化。
差的函数,将其与适应度联系起来,以自适应改变交叉和变异概率,跳出当前最优解,扩展
种群多样性,提高算法的寻优能力。
列的框架,利用本发明的方法最终可以使用较少的雷达收发阵元数,得到主瓣较窄峰旁瓣
水平更低的雷达联合波束方向图,从而改善了后续雷达目标检测、参数估计等操作的性能。
而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说
明即可。
本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不
应理解为对本发明的限制。