[发明专利]一种改善MIMO雷达DOA估计性能的低旁瓣发射方向图设计方法

说明书

本发明涉及一种改善MIMO雷达DOA估计性能的低旁瓣发射方向图设计方法，包括以下几个步骤：设定感兴趣的区域；令波束域加权矩阵的列向量满足对偶特性，保证接收端的信号满足旋转不变性；考虑方向图匹配特性、信号的旋转不变性以及各阵元发射功率相等为约束条件，构建波束域加权矩阵的优化模型；引入辅助变量，利用半正定松弛技术将秩1约束松弛为半正定约束，使用内点法获得松弛问题的最优解，再利用高斯随机化方法对波束域加权矩阵进行求解；在接收端使用ESPRIT算法对目标进行DOA估计。本发明涉及的这种性能良好的MIMO雷达波形设计技术，能够提高接收端的信噪比，可为如何提高MIMO雷达角度估计精度提供重要的理论依据和具体的实现方法。

技术领域

本发明属于空天目标侦察领域中MIMO雷达的波形设计技术，更具体的讲是涉及一种改善MIMO雷达DOA估计性能的低旁瓣发射方向图设计方法。

背景技术

本发明涉及的波形设计方法通过波束域预处理技术设计MIMO雷达发射信号，使其逼近于期望的发射方向图，同时降低方向图旁瓣，将发射能量更好地集中于感兴趣的空域，从而提高接收信号的信噪比。相比于现有方法，目标的DOA估计精度得到了提升。

MIMO雷达与传统相控阵雷达最大的区别在于MIMO雷达具备波形分集的能力，因此可以通过合理设计发射信号，提升MIMO雷达在多个信号处理领域的性能。现有的MIMO雷达大多发射正交波形，能量均匀分布在整个空域范围内，在空间形成全向的方向图，从而实现整个空域的目标侦察。然而，当目标方位集中在较小的空域范围内时，由于正交波形形成方向图的低增益特性，将会导致目标的反射功率减小，降低接收端的信噪比，从而影响目标角度估计精度。

针对集中式MIMO雷达，提高接收端信噪比主要方法是在发射端不使用正交波形，设计部分相关波形将能量聚集在感兴趣的区域内，即形成一定的发射方向图，从而提高接收端的信噪比。传统的MIMO雷达发射方向图设计方法一般包括两个步骤：一是优化发射波形的协方差矩阵，使发射波束接近于期望的方向图；二是根据得到的信号协方差矩阵，求解出实际发射信号。相比发射波形的协方差矩阵优化，第二步骤中波形的求解往往更为困难。为了避免使用昂贵的放大器和模数转换器，通常要求发射信号满足单模或者低的峰均比约束。本发明的特点是采用波束域预处理技术来设计部分相关波形，通过一步求解就可以得到实际发射波形，使其形成所期望的发射方向图，减少发射能量在不感兴趣空域内的损失。

另一方面，现有的DOA估计方法主要有MUSIC、ESPRIT算法等。其中，MUSIC算法具备高分辨特性，但是需要进行谱峰搜索，计算复杂度较高。ESPRIT算法可以获得DOA的闭式解，DOA估计精度高且计算复杂度较低，前提是要求接收信号具备旋转不变性。ESPRIT算法中旋转不变性大多是通过对接收阵列划分子阵来实现的，通常要求接收阵列为均匀线阵。而对于MIMO雷达来说，由于发射端具备波形分集能力，旋转不变性可通过合理的设计发射信号来获得，从而放宽接收阵列为均匀线阵的要求。因此，本发明的另一个特点在于，设计波束域加权矩阵时，既考虑了方向图匹配特性的同时，又考虑使接收端信号满足旋转不变性。

发明内容

本发明针对现有技术存在发射正交波形形成方向图的低增益特性，降低接收端的信噪比，从而影响目标角度估计精度的问题，提出一种改善MIMO雷达DOA估计性能的低旁瓣发射方向图设计方法。

本发明的技术方案是：一种改善MIMO雷达DOA估计性能的低旁瓣发射方向图设计方法，该发射方向图设计方法包括以下步骤：

步骤1：设定期望的发射方向图；

步骤2：令波束域加权矩阵的列向量满足对偶特性，保证接收端的信号满足旋转不变性；

步骤3：根据期望方向图，考虑方向图匹配特性、信号的旋转不变性以及各阵元发射功率相等为约束条件，构建波束域加权矩阵的优化模型W；