機(jī)載MIMO雷達(dá)最優(yōu)發(fā)射波形合成結(jié)構(gòu)設(shè)計

趙紅言,賀 剛 ,林晉福周萬銀,蘇 兮張西川,李孟達(dá)曹 暉

(1.空軍工程大學(xué) 理學(xué)院,西安 710051;2.空軍工程大學(xué) 科研部信息中心,西安710051;3.空軍工程大學(xué) 訓(xùn)練部,西安 710051;4.空軍裝備部,北京 100161)

1 引 言

多功能、一體化是第三代預(yù)警機(jī)的重要技術(shù)特征,其中將對地/海監(jiān)視與對空監(jiān)視的一體化結(jié)合是未來預(yù)警機(jī)發(fā)展的重要思路。如美軍正計劃將E-8“聯(lián)合警戒與目標(biāo)攻擊雷達(dá)系統(tǒng)”和E-3的對空監(jiān)視系統(tǒng)結(jié)合起來形成一體化的預(yù)警監(jiān)視系統(tǒng)[1-3]。隨著對預(yù)警監(jiān)視的軍事需求的日益提高,又迫切需要增加預(yù)警機(jī)的航時,降低載機(jī)負(fù)荷,減少造價。

機(jī)載多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Out-put,MIMO)雷達(dá)具有非常靈活的工作模式,它可以通過自適應(yīng)調(diào)整各發(fā)射陣元的發(fā)射信號的相干性,靈活實現(xiàn)發(fā)射子陣的實時合成,而不同的發(fā)射子陣合成結(jié)構(gòu)又具有不同的目標(biāo)探測特性和檢測性能,因此機(jī)載MIMO雷達(dá)在多功能預(yù)警探測和任務(wù)、環(huán)境自適應(yīng)方面具有極大的潛力。文獻(xiàn)[4]研究了MIMO雷達(dá)非均勻線陣結(jié)構(gòu),研究得出非均勻線陣能夠產(chǎn)生更多的有效虛擬陣元,降低了均勻配置的MIMO雷達(dá)陣列虛擬陣元的冗余數(shù)量,研究表明該結(jié)構(gòu)具有更多的空間自由度、更好的克拉美-羅界和更好的到達(dá)方向角(Direction of Arrive,DOA)估計性能。加州工學(xué)院沈俊陽以及華中科技大學(xué)董建等人基于傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)接收端最小冗余陣列的設(shè)計思想,針對均勻線陣配置下虛擬陣元冗余度高的問題,分別提出了發(fā)射陣列配置設(shè)計的最小冗余陣列設(shè)計算法和基于差集理論的最小冗余算法[5-6],有效提高了MIMO雷達(dá)的陣元利用率。西安電子科技大學(xué)也對該問題進(jìn)行了詳細(xì)研究,并提出了一系列MIMO雷達(dá)陣列優(yōu)化配置的高效算法[7-12]。

以上各文獻(xiàn)中所研究天線陣列的設(shè)計方法是在一定陣元數(shù)量下,通過調(diào)整收發(fā)陣列元的物理間距實現(xiàn)整個陣列的最小冗余,得到最優(yōu)設(shè)計方案,然后依據(jù)該方案進(jìn)行天線的生產(chǎn)制造,這些方法均為靜態(tài)的離線設(shè)計方法。而文中所提的研究方法是在機(jī)載MIMO雷達(dá)物理結(jié)構(gòu)固定時,如何依據(jù)實戰(zhàn)中預(yù)警探測的任務(wù)需求實時自適應(yīng)調(diào)整各發(fā)射陣元的波形相干合成結(jié)構(gòu)以及接收陣列的子陣合成結(jié)構(gòu),使得機(jī)載MIMO雷達(dá)在GMTI任務(wù)模式下探測性能最優(yōu)。

2 GMTI模式下的最優(yōu)發(fā)射波形合成結(jié)構(gòu)設(shè)計

當(dāng)機(jī)載MIMO雷達(dá)具有M個發(fā)射陣元、N個接收陣元的線性陣列,以GMTI模式進(jìn)行探測時,由于目標(biāo)檢測所關(guān)心的低慢速小目標(biāo)主要分布于主雜波附近,通過對發(fā)射波形任意合成結(jié)構(gòu)對雜波抑制性能影響的分析可得,非均勻劃分的子陣結(jié)構(gòu)具有更好的改善因子。此時以主雜波附近雜波抑制性能的最優(yōu)為目標(biāo),在接收陣列子陣合成結(jié)構(gòu)固定情況下的發(fā)射波形合成結(jié)構(gòu)設(shè)計的最優(yōu)化問題可描述如式(1),此處稱之為基于改善因子性能最優(yōu)的OTWSS設(shè)計方法。

其中,fIF(Θ)表示與發(fā)射波形合成結(jié)構(gòu)有關(guān)的改善因子表達(dá)式。

其中,S為導(dǎo)向矢量。且有雜波協(xié)方差矩陣

式中,T由合成結(jié)構(gòu) Θ決定,RO表示全正交MIMO雷達(dá)時的雜波協(xié)方差矩陣。

綜上所述,在GMTI探測模式下的實現(xiàn)流程如圖1所示。任務(wù)切換雷達(dá)系統(tǒng)依據(jù)任務(wù)需求選擇GMTI探測模式后進(jìn)行陣列結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整,優(yōu)化的策略采用式(1)。

圖1 最優(yōu)發(fā)射波形合成結(jié)構(gòu)設(shè)計流程圖Fig.1 Design flow chart of optimal transmitted waveform synthetic structure

3 仿真實驗

設(shè)定發(fā)射正交波形個數(shù)Q=4;發(fā)射通道數(shù) M=16,接收通道數(shù)N=8;最大可用陣元數(shù)Nmax=64;λ=0.23 m。雜噪比CNR=60 dB。接收陣元間距均為 dR=λ/2,發(fā)射陣元間距為 dT=α dR。

GMTI模式下依據(jù)式(1)IF-OTWSS方法進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計,圖2給出了機(jī)載MIMO雷達(dá)在該模式的發(fā)射波形結(jié)構(gòu)的最優(yōu)集合。當(dāng)Q=8時最優(yōu)集合為Θopt={1,5,1,1,1,1,5,1},如圖 2(a)所示,其中參照發(fā)射波形合成結(jié)構(gòu)為 Θ={2,2,1,3,3,1,2,2}。當(dāng)Q=4時對應(yīng)最優(yōu)集合為 Θopt={7,1,1,7},如圖2(b)所示,其中參照發(fā)射波形合成結(jié)構(gòu)為 Θ={5,3,3,5}?？梢娪稍撟顑?yōu)結(jié)構(gòu)下主雜波附近目標(biāo)的最小可檢測速度(MDV)有了較大降低。MDV<10 m/s范圍內(nèi)最優(yōu)發(fā)射波形合成結(jié)構(gòu)(最優(yōu)TWSS)改善因子明顯高于均勻發(fā)射波形合成結(jié)構(gòu)(均勻TWSS)。相比均勻發(fā)射波形結(jié)構(gòu),隨著目標(biāo)速度減小,最優(yōu)陣列STAP性能下降不大,因此本文對低慢速小目標(biāo)的檢測性能優(yōu)勢越明顯。如圖2(b)所示,當(dāng)Q=4、待檢測目標(biāo)速度為5 m/s時,最優(yōu)發(fā)射波形合成結(jié)構(gòu)下的輸出改善因子比均勻陣列的改善因子高約6 dB。當(dāng)待檢測目標(biāo)速度增大時,如圖20 m/s處,均勻TWSS的性能上升并與非均勻TWSS的性能趨于一致。對比圖2(a)、(b)可得Q越大,IF越高,對目標(biāo)的檢測性能越好。

圖2 最優(yōu)發(fā)射波形合成結(jié)構(gòu)Fig.2 Optimal transmitted waveform synthetic structure

圖3 給出了經(jīng)500次蒙特卡羅仿真得出的最優(yōu)TWSS和均勻TWSS分別在Q=8和Q=4,歸一化改善因子為-6 dB時,平均MDV隨CNR的變化曲線,可見在雜噪比較低時,均勻TWSS和最優(yōu)TWSS的性能相近,甚至高于最優(yōu)TWSS,但隨著CNR上升,可視為待檢測多普勒區(qū)域逐漸靠近主雜波區(qū)域,雜波強(qiáng)度逐漸增大,最優(yōu)TWSS的MDV逐漸變小,檢測性能優(yōu)于均勻TWSS?？梢娫撃Ｊ较卤疚乃惴ㄔO(shè)計的發(fā)射波形合成結(jié)構(gòu)具有較好的性能。

圖3 MDV隨CNR的變化曲線Fig.3MDV vs.CNR

4 結(jié) 論

本文主要研究了發(fā)射波形影響下的機(jī)載MIMO雷達(dá)最優(yōu)發(fā)射波形合成結(jié)構(gòu)的設(shè)計問題,提出了對地/海監(jiān)視任務(wù)模式下的最優(yōu)陣列合成結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。研究得出如下結(jié)論:

(1)本文算法得出的最優(yōu)子陣合成結(jié)構(gòu)是一種非均勻子陣劃分結(jié)構(gòu),最優(yōu)結(jié)構(gòu)內(nèi)由于子陣內(nèi)的陣元數(shù)不等,避免了均勻子陣劃分在等效相位中心間距超出半波長時出現(xiàn)的柵瓣現(xiàn)象,極大地提高了系統(tǒng)雜波抑制和目標(biāo)檢測性能;

(2)由于MIMO雷達(dá)在各雜波分布區(qū)域的雜波抑制效果不同,在GMTI探測模式下,為了提高系統(tǒng)探測性能,應(yīng)當(dāng)使得正交波形的個數(shù)Q盡量大。

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