一种四发MIMO雷达发射波形设计方法
专利汇可以提供一种四发MIMO雷达发射波形设计方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种四发MIMO雷达发射 波形 设计方法，该方法通过结合已知的两种两发的 正交 信号 ：正负调频信号和短 时移 动正交信号，该方法设计了调频斜率为正的两个短时移动正交信号和调频斜率为负的两个短时移动正交信号，组成MIMO雷达的四个发射信号。相对于传统两发的正交波形来说，同时四发的正交波形能够更加充分的发挥MIMO雷达的优势；所设计波形的形式简单，相干性好，波形之间的相干性好，且发射波形占用相同的频带，充分利用了 频谱 资源。，下面是一种四发MIMO雷达发射波形设计方法专利的具体信息内容。
1.一种四发MIMO雷达发射波形设计方法，其特征是它包括以下步骤：
步骤1、初始化MIMO-SAR系统参数：
初始化MIMO-SAR系统参数包括：平台速度矢量记为 发射平台中心初始位置矢量，记做P(0)；发射阵元初始位置矢量，记做Pt(m)，m为发射阵元序列号，m＝1,2,...,Nt，Nt为发射阵元总数；接收阵元初始位置矢量，记做Pr(n)，n为接收阵元序列号，n＝1,2,...,Nr，Nr为接收阵元总数；阵元间距，记做Lt；雷达发射信号载频为Fc；信号时宽为Tp；雷达发射信号的调频斜率为kr；雷达系统的脉冲重复频率为PRF；雷达发射信号带宽记做Br；电磁波在空气中的传播速度记做C；信号采样频率为fs；距离向快时刻记做t，t＝(1,2,…,T)/fs，T为距离向快时刻总数，方位向慢时刻记做l，l＝(1,2,…,K)/PRF，K为方位向慢时刻总数，PRF为雷达系统的脉冲重复频率；上述参数均为SAR系统标准参数，发射平台中心初始位置矢量Pt(0)在SAR观测方案设计中已经确定；根据SAR成像系统方案和观测方案，SAR成像方法需要的初始化成像系统参数均为已知；
步骤2、初始化MIMO-SAR的观测场景目标空间参数：
初始化MIMO-SAR的观测场景目标空间参数包括：场景中心位置矢量，记做Pcenter；以雷达波束照射区域地平面和垂直于该地平面向上的单位向量所构成的空间直角坐标系作为MIMO-SAR的观测场景目标空间Ω，Ω为Qx×Qy像素；将观测场景目标空间Ω均匀划分为大小相等的单元网格，称为分辨单元，单元网格在距离向、方位向记为dx，dy，观测场景目标空间在距离向、方位向单元网格数分别为Qx,Qy，单元网格大小为MIMO-SAR系统传统理论成像分辨率；场景距离向宽度为Wx；场景方位向宽度为Wy；距离向、方位向构成平面成像空间，在平面成像空间上第q个元素的位置，记做：
其中，Q为平面维成像空间单元网格总数，Q＝Qx·Qy，qx＝1,...,Qx，qy＝1,...,Qy，Pcenter(1)为场景中心位置距离向横坐标，Pcenter(2)为场景中心位置方位向纵坐标；本发明所需的初始化MIMO-SAR的观测场景目标空间参数均为已知；
步骤3、生成四个正交发射信号的原始回波信号：
已知四个正交波形中两个为正负调频线性调频信号，其差别是调频斜率互为相反数，正交波形1函数表达式为：
正交波形2函数表达式为：
其中，t为距离向快时刻，t＝(1,2,…,T)/fs，fs为信号采样频率，Tp为信号时宽，Fc为雷达发射信号载频，kr为雷达发射信号的调频斜率；
正交波形3和1互为短时移动正交信号，正交波形4和2互为短时移动正交信号；
正交波形3函数表达式为：
正交波形4函数表达式为：
m个发射天线阵元分别发射正交信号，同时n个接收天线阵元分别接收回波信号；其中，t为距离向快时刻，Tp为信号时宽，Fc为雷达发射信号载频，kr为雷达发射信号的调频斜率；
在第l个方位向慢时刻和第t个距离向快时刻中，第n个接收天线阵元接收第m个发射天线阵元原始回波数据记做sm(t,l,n)，其中t＝(1,2,…,T)/fs，l＝(1,2,…,K)/PRF，m＝1,2,L,Nt，n＝1,2,L,Nr，T为步骤1中初始化得到的距离向快时刻总数，fs为信号采样频率，t为距离向快时刻，K为步骤1中初始化得到的方位向慢时刻总数，PRF为雷达系统的脉冲重复频率，l为方位向慢时刻，Nt为发射阵元总数；Nr为接收阵元总数，则在第l个方位向慢时刻和第t个距离向快时刻中，第n个接收天线阵元接收到的原始回波数据为 即第
n个接收天线阵元接收到的原始回波数据为由Nt个发射阵元发射第n个接收天线阵元接收到的原始回波数据之和；在MIMO-SAR实际成像中，原始回波数据由数据接收机提供；
步骤4、原始回波信号距离向脉冲压缩：
采用定义9中标准合成孔径雷达回波数据距离向脉冲压缩方法对步骤3中的原始回波数据s(l,t,n)分别进行Nt次距离向脉冲压缩，对应的脉冲压缩参考函数分别为Nt个发射信号，得到s(l,t,n)经距离向压缩后的合成孔径雷达数据，记做srm(l,t,n)，m＝1,2,…,Nt；
采用公式 计算得到距离向压缩后第n个接收天线阵元接收到
第m个发射天线阵元的回波信号矩阵，其中t＝(1,2,…,T)/fs，l＝(1,2,…,K)/PRF，m＝1,
2,L,Nt，n＝1,2,L,Nr，m为发射阵元序列号，n为接收阵元序列号，Sm(n)由K行T列组成，T为步骤1中初始化得到的距离向快时刻总数，fs为信号采样频率，K为步骤1中初始化得到的方位向慢时刻总数，PRF为雷达系统的脉冲重复频率；
步骤5、计算双程斜距，寻找回波索引：
采用公式R(q,m,n,l)＝||Pq-Pt(m,l)||2+||Pq-Pr(n,l)||2，计算散射点Pq在第n个接收天线阵元接收到的第m个发射天线阵元回波在第l个慢时刻的双程斜距；其中，Pq为成像场景中的散射点；Pt(m,l)为第m个发射天线阵元在第l个慢时刻的位置坐标；Pr(n,l)为第n个接收天线阵元在第l个慢时刻的位置坐标；
然后采用公式 计算散射点Pq在第n个接收天
线阵元接收到的第m个发射天线阵元第l个慢时刻的回波在步骤4中回波信号矩阵Sm(n)中的位置索引；
采用公式IDl,m,n＝[ID1,l,m,n,ID2,l,m,n,...,IDq,l,m,n,...,IDQ,l,m,n]Τ，计算所有场景点在第n个接收天线阵元接收到的第m个发射天线阵元回波在第l个慢时刻的回波在步骤4中回波信号矩阵Sm(n)中的位置索引；其中，Fc为雷达发射信号载频，C为电磁波在空气中的传播速度，R0为目标场景中心到发射平台中心的最短距离；
步骤6、获得回波并进行频域插值：
通过步骤4中获得的回波索引IDl,m,n，在回波矩阵Sm(n)中找到场景中全部散射点在第n个接收天线阵元接收到的第m个发射天线阵元第l个慢时刻的回波 这里将Sm
(n)回波矩阵重新记为 为K行T列的矩阵，括号里面的l表示回波矩阵 的行索
引，IDl,m.n表示列索引；
采用公式 计算得到频域回波S'm,n(l,t)，对S'm,n(l,t)的每一
行数据(距离向数据)进行频域插值，第l行数据记做Sl'(t)；
采用公式 计算得到第l行频域
times倍插值后的回波数据；
采用公式Sc'(l,times·t)＝[Sc1'(t),...,Scl'(t),...,ScK'(t)]Τ计算得到全部距离向频域times倍插值后的回波数据；
采用公式Sc(l,times·t)＝IFFT[Sc'(l,times·t)]得到插值后的时域回波Sc(l,times·t)，则Sc(l,IDl,m,n)是所有散射点在第n个接收天线阵元接收到的第m个发射天线阵元回波在第l个慢时刻插值后的回波，并且将Sc(l,IDl,m,n)重新记为Sc,m,n(l,IDl,m,n)；其中，FFT表示傅里叶变换，IFFT表示傅里叶反变换，times表示升采样系数，其中t＝(1,2,…,T)/fs，l＝(1,2,…,K)/PRF，T为步骤1中初始化得到的距离向快时刻总数，fs为信号采样频率，K为步骤1中初始化得到的方位向慢时刻总数，PRF为雷达系统的脉冲重复频率，Τ表示矩阵的转置；
步骤7、补偿多普勒相位：
采用公式 计算得到散射点Pq在第n个接收天线阵元接收到
的第m个发射天线阵元回波第l个慢时刻的多普勒相位；
对全部散射点都采用公式 计算得到全部场景散射点在第n
个接收天线阵元接收到的第m个发射天线阵元回波在第l个慢时刻的多普勒相位Φl,m,n；其中，Rq,m,n,l表示散射点Pq在第n个接收天线阵元接收到的第m个发射天线阵元回波在第l个慢时刻的双程斜距；λ＝C/Fc为发射电磁波波长；
步骤8、相干累加与全空间成像：
对所有l个慢时刻，重复步骤5～步骤7，获得全部散射点的l个经多普勒相位补偿的回波；然后对l个回波进行相干累加，获得全部散射点在第n个接收天线阵元接收到的第m个发射天线阵元回波的后向散射信息：
对Nt个发射天线阵元和Nr个接收天线阵元，得到全部散射点的后向散射信息：
即成像结果；其中，Sc,m,n(l,IDl,m,n)为全部散射点在第n个接收天线阵元接收到的第m个发射天线阵元回波在第l个慢时刻插值后的回波；Φl,m,n为全部场景散射点在第n个接收天线阵元接收到的第m个发射天线阵元回波在第l个慢时刻的多普勒相位。
一种四发MIMO雷达发射波形设计方法
技术领域
背景技术
发明内容
2,L,Nt， n＝1,2,L,Nr，T为步骤1中初始化得到的距离向快时刻总数，fs为信号采样频率，t为距离向快时刻，K为步骤1中初始化得到的方位向慢时刻总数，PRF为雷达系统的脉冲重复频率， l为方位向慢时刻，Nt为发射阵元总数；Nr为接收阵元总数，则在第l个方位向慢时刻和第t 个距离向快时刻中，第n个接收天线阵元接收到的原始回波数据为
即第n个接收天线阵元接收到的原始回波数据为由Nt个发射阵元发射第n个接收天线阵元接收到的原始回波数据之和；在MIMO-SAR实际成像中，原始回波数据由数据接收机提供；
的行索引，IDl,m.n表示列索引；
其中， Rq,m,n,l表示散射点Pq在第n个接收天线阵元接收到的第m个发射天线阵元回波在第l个慢时刻的双程斜距；λ＝C/Fc为发射电磁波波长。
收到的第m个发射天线阵元回波在第l个慢时刻插值后的回波；Φl,m,n为全部场景散射点在第n 个接收天线阵元接收到的第m个发射天线阵元回波在第l个慢时刻的多普勒相位。
具体实施方式
8
数,fs＝2.1×10Hz为采样频率；方位向慢时刻记做l，l＝(1,2,…,512)/PRF，512为方位向慢时刻总数，雷达系统的脉冲重复频率为PRF＝500Hz；上述参数均为SAR系统标准参数，发射平台中心初始位置矢量Pt(0)在SAR观测方案设计中已经确定；根据SAR成像系统方案和观测方案，SAR成像方法需要的初始化成像系统参数均为已知；
其中，t为距离向快时刻，t＝(1,2,…,256)/fs，Tp＝10-s为信号时宽，Fc＝10 Hz为雷达发射信号载频，kr＝1.5×1014为雷达发射信号的调频斜率。由正交波形3和1互为短时移动正交信号，正交波形4和2互为短时移动正交信号，可得正极波形3和4的函数表达式为：
14
射信号载频，kr＝1.5×10 为雷达发射信号的调频斜率。在第l个方位向慢时刻和第t个距离向快时刻中，第n个接收天线阵元接收第m个发射天线阵元原始回波数据记做sm(t,l,n)，l＝1,2,…,512， m＝1,2,…,4，n＝1,2,…,4，则在第l个方位向慢时刻和第t个距离向快时刻中，第n个接收天线阵元接收到的原始回波数据为 即第n个接收天
线阵元接收到的原始回波数据为由4个发射阵元发射第n个接收天线阵元接收到的原始回波数据之和；在 MIMO-SAR实际成像中，原始回波数据由数据接收机提供；
个发射天线阵元的回波信号矩阵，其中t＝(1,2,…,256)/fs，l＝(1,2,…,512)/PRF，m＝1,
2,…,4， n＝1,2,…,4，m为发射阵元序列号，n为接收阵元序列号，Sm(n)由512行256列组成；
发射天线阵元)第l个慢时刻的回波在步骤4 中回波信号矩阵Sm(n)中的位置索引。采用公式IDl,m,n＝[ID1,l,m,n,ID2,l,m,n,...,IDq,l,m,n,...,IDQ,l,m,n]Τ计算所有场景点在第n个接收天线阵元(接收第m个发射天线阵元回波)在第l个慢时刻的回波在步骤4中回波信号矩阵Sm
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(n)中的位置索引。其中，Fc＝10 Hz为雷达发射信号载频， C＝299792458m/s为电磁波在空气中的传播速度，R0为目标场景中心到发射平台中心的最短距离，m为发射阵元序列号，n为接收阵元序列号，m＝1,2,…,4，n＝1,2,…,4。
的行索引，IDl,m.n表示列索引。采用公式 得到频域回波S'm,n(l,
t)，对S'm,n(l,t) 的每一行数据(距离向数据)进行频域插值，第l行数据记做Sl'(t)。采用公式 得到第l行频域8倍插值后的回波数据，
采用公式Sc'(l,8·t)＝[Sc1'(t),...,Scl'(t),...,ScK'(t)]Τ得到全部距离向频域8倍插值后的回波数据，再采用公式Sc(l,8·t)＝IFFT[Sc'(l,8·t)]得到插值后的时域回波Sc(l,8·t)，则Sc(l,IDl,m,n)是所有散射点在第n个接收天线阵元(接收第m个发射天线阵元回波)在第l个慢时刻插值后的回波，并且将Sc(l,IDl,m,n)重新记为Sc,m,n(l,IDl,m,n)。其中，FFT表示傅里叶变换，IFFT表示傅里叶反变换，其中t＝(1,2,…,256)/fs，l＝(1,2,…,512)/PRF，Τ表示矩阵的转置。
可得到全部场景散射点在第n个接收天线阵元(接收第m个发射天
线阵元回波)在第l个慢时刻的多普勒相位Φl,m,n。其中，Rq,m,n,l表示散射点Pq在第n个接收天线阵元(接收第m个发射天线阵元回波)在第l个慢时刻的双程斜距；λ＝C/Fc＝0.03m为发射电磁波波长。
中， Sc,m,n(l,IDl,m,n)为全部散射点在第n个接收天线阵元(接收第m个发射天线阵元回波)在第l 个慢时刻插值后的回波；Φl,m,n为全部场景散射点在第n个接收天线阵元(接收第m个发射天线阵元回波)在第l个慢时刻的多普勒相位。
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