基于正交相位編碼信號(hào)的MIMO雷達(dá)測(cè)速測(cè)距算法

葛 優(yōu)，劉景萍，趙惠昌，陳 思，劉定燁

(南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210094)

基于正交相位編碼信號(hào)的MIMO雷達(dá)測(cè)速測(cè)距算法

葛 優(yōu)，劉景萍，趙惠昌，陳 思，劉定燁

(南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210094)

針對(duì)多普勒敏感帶來的盲速問題，提出了基于正交相位編碼信號(hào)的多輸入多輸出雷達(dá)(MIMO)的測(cè)距測(cè)速算法。該算法用遺傳算法獲取正交四相編碼信號(hào)，以此作為多輸入多輸出雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)；用匹配濾波法分離各路回波信號(hào)以增加相干疊加的脈沖數(shù)；用雙脈沖對(duì)消和多脈沖疊加的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)完成對(duì)目標(biāo)距離和速度的測(cè)量。仿真驗(yàn)證結(jié)果表明：與傳統(tǒng)的測(cè)距測(cè)速方法相比，提出的多脈沖疊加測(cè)速測(cè)距算法能夠有效檢測(cè)動(dòng)目標(biāo)的距離和速度，同時(shí)有效地解決了多普勒敏感帶來的盲速問題，提高了測(cè)速精度，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

多輸入多輸出雷達(dá)；相位編碼；信號(hào)處理；動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)

0 引言

多輸入多輸出(MIMO)雷達(dá)需要的發(fā)射信號(hào)在時(shí)域是正交的，這樣在空間就不會(huì)形成相干疊加的高增益窄波束，而是低增益寬波束[1-3]，因此選擇適當(dāng)?shù)恼恍盘?hào)是檢驗(yàn)MIMO雷達(dá)的目標(biāo)檢測(cè)及抗干擾性能的首要問題。正交線性調(diào)頻信號(hào)以及其他正交信號(hào)的正交性沒有相位編碼信號(hào)優(yōu)秀，并且信號(hào)的抗電子偵察、干擾能力也不如相位編碼信號(hào)[4-5]。文獻(xiàn)[6]提出了用動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTI)來解決在探測(cè)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，普通的窄帶低分辨雷達(dá)將無法區(qū)分動(dòng)目標(biāo)回波和固定雜波回波，因而會(huì)產(chǎn)生盲速的問題。然而這種一次對(duì)消器在零頻附近的雜波抑制通常效果不理想。文獻(xiàn)[7]采用了二次內(nèi)插多普勒補(bǔ)償來解決多普勒敏感造成的盲速問題，但是該方法計(jì)算復(fù)雜，硬件實(shí)現(xiàn)困難。因此消除盲速，濾除固定雜波，提高測(cè)速測(cè)距精度是當(dāng)前MIMO雷達(dá)需要解決的迫切問題。本文針對(duì)此問題，提出了基于相位編碼信號(hào)的MIMO雷達(dá)測(cè)速測(cè)距算法。

1 正交相位編碼信號(hào)

MIMO雷達(dá)的基本原理是MIMO雷達(dá)把發(fā)射陣列分為M個(gè)子陣，每個(gè)子陣發(fā)射的波形正交，這樣發(fā)射信號(hào)在空間形成低增益寬波束。由于陣面被分成各個(gè)子陣，波束主瓣增益將減小到M倍，發(fā)射功率被分散到M個(gè)子陣每個(gè)子陣的發(fā)射功率為原發(fā)射總功率的1/M[8]。

1.1 相位編碼信號(hào)產(chǎn)生原理

在此假設(shè)正交碼集S包含L個(gè)信號(hào)，每個(gè)信號(hào)的碼長(zhǎng)為N，編碼相位個(gè)數(shù)為M，則第l個(gè)信號(hào)可以表示為:

(1)

式(1)中，n=1,2,…,N;l=1,2,…,L。

因此正交碼集中任一信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)和任意兩個(gè)信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)可分別表示為：

(2)

(3)

式(2)，式(3)中，k為時(shí)間指數(shù)。

(4)

即當(dāng)給定N,M,L的值，通過實(shí)現(xiàn)代價(jià)函數(shù)的最小化就可生成一組正交碼集。

1.2 遺傳算法產(chǎn)生正交相位編碼

本文采用遺傳算法最小化代價(jià)函數(shù)獲取正交碼集。遺傳算法是以自然選擇和遺傳理論為基礎(chǔ)，將生物進(jìn)化過程中適者生存規(guī)則和群體內(nèi)部染色體的隨機(jī)信息交換機(jī)制相結(jié)合的高效全局尋優(yōu)搜索算法[9]。

通過遺傳算法，這里可以得到四組40位長(zhǎng)度的正交四相編碼。對(duì)得到的每一組編碼序列求得的歸一化自相關(guān)分別如圖1(a)所示，四組編碼序列兩兩求歸一化互相關(guān)得到結(jié)果如圖1(b)所示。

(a)相位編碼信號(hào)自相關(guān)

(b)相位編碼信號(hào)互相關(guān)圖1 編碼序列正交性Fig.1 Coding orthogonality

從圖1中可以看出來，這四組40位碼長(zhǎng)的信號(hào)不管是自相關(guān)特性還是彼此之間的互相關(guān)特性都很好，根據(jù)MIMO雷達(dá)對(duì)信號(hào)的正交性需求，這四組40位碼長(zhǎng)的四相編碼信號(hào)完全符合。

2 MIMO雷達(dá)測(cè)速測(cè)距算法

2.1 回波信號(hào)匹配濾波

MIMO雷達(dá)各接收端接收到的回波信號(hào)是由各發(fā)射端的發(fā)射信號(hào)經(jīng)目標(biāo)反射后的回波信號(hào)之和，由于各發(fā)射信號(hào)間是相互正交的，因此接收端可以采用匹配濾波器將各通道的信號(hào)一一分離，即將接收到的回波信號(hào)與各發(fā)射信號(hào)分別求相關(guān)，就可有效地分離出各發(fā)射信號(hào)的目標(biāo)反射回波信號(hào)[10]。

設(shè)得到的第n個(gè)接收端的回波信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(5)

(6)

綜上所述，第n個(gè)接收端接收到的信號(hào)進(jìn)行匹配濾波后輸出結(jié)果的向量形式為：

(7)

由此可得，在所有的接收端都進(jìn)行匹配濾波后，輸出的信號(hào)表達(dá)式可以寫為：

(8)

2.2 改進(jìn)的MTD算法

實(shí)際應(yīng)用中，電磁環(huán)境復(fù)雜，目標(biāo)回波信號(hào)中不僅包括地雜波、海雜波等自然干擾，還存在敵方發(fā)射的干擾信號(hào)，大大降低了MIMO雷達(dá)的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)能力。本文根據(jù)動(dòng)目標(biāo)回波與雜波間具有不同的多普勒頻移來完成目標(biāo)的檢測(cè)。

動(dòng)目標(biāo)顯示(MTI)是根據(jù)多普勒頻率來區(qū)分運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和固定雜波，以提高雷達(dá)信號(hào)的信雜比。由于靜止雜波是等幅脈沖串，脈間相差為0；而運(yùn)動(dòng)目標(biāo)是調(diào)幅脈沖串，脈間相差2πfdTr。所以采用相鄰脈沖相減就可以濾除固定雜波，原來被強(qiáng)雜波背景淹沒的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)將被保留。傳統(tǒng)的單脈沖對(duì)消器的幅頻響應(yīng)在零頻附近抑制雜波的零值區(qū)寬度可能達(dá)不到要求，本文在一次對(duì)消器的輸出上再加上一個(gè)對(duì)消器，這樣就組成了雙脈沖對(duì)消器，所以我們所需的脈沖重復(fù)周期數(shù)就為NCPI=2n+2，經(jīng)過雙脈沖對(duì)消器之后的輸出就為NP=2n個(gè)周期，方便進(jìn)行下一步MTD處理。雙脈沖對(duì)消器輸出表達(dá)式為：

(9)

動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD)是一種利用多普勒濾波器來抑制各種雜波，從而提高雷達(dá)在雜波背景下檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)能力的技術(shù)。在MTI后串接一窄帶多普勒濾波器組來覆蓋整個(gè)重復(fù)頻率的范圍，以達(dá)到動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)。

(10)

(11)

可見脈沖積累數(shù)NCPI越多(則NP越多)，測(cè)速精度越高。即要提高測(cè)速精度，需要增加FFT變換的點(diǎn)數(shù)，但是在實(shí)際雷達(dá)工作過程中回波脈沖數(shù)并不可以任意疊加。然而，在此經(jīng)過上述的匹配濾波后，原先的4路回波疊加信號(hào)經(jīng)過分離后可以有4×4組匹配后的回波信號(hào)，這樣在進(jìn)行MTD時(shí)，積累脈沖數(shù)可以增加16倍，從而比傳統(tǒng)的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)具有更高的速度分辨力和測(cè)速精度。

3 仿真驗(yàn)證

對(duì)上述的MIMO雷達(dá)做信號(hào)處理仿真，仿真參數(shù)如表1所示。

仿真證明該四相編碼信號(hào)在調(diào)制到載頻上之后，依然有著很好的正交性。因此在通過匹配濾波后，在接收端可以將各路發(fā)射信號(hào)的回波分離出來進(jìn)行下一步的信號(hào)處理。經(jīng)過雙脈沖對(duì)消器處理后，低速雜波得到了很大的抑制，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的主瓣峰值遠(yuǎn)大于最大旁瓣。經(jīng)過改進(jìn)的MTD算法結(jié)果如圖2所示。圖3所示的是在不同的信噪比下傳統(tǒng)的MTD結(jié)果與改進(jìn)MTD的最大旁瓣的比較。由圖2可以看到，改進(jìn)的MTD方法成功檢測(cè)到了目標(biāo)，測(cè)得的距離為302 m，測(cè)得的速度為56.25 m/s。從圖3可以看出，當(dāng)信噪比從-20到10 dB改變時(shí)，改進(jìn)的多脈沖疊加的MTD算法得到的結(jié)果比傳統(tǒng)的MTD結(jié)果有更小的旁瓣峰值。由此可以看出，最后在進(jìn)行MTD處理時(shí)，本文的通過匹配濾波后多路脈沖疊加后的處理結(jié)果能夠有效地抑制目標(biāo)峰值周圍的干擾峰，這樣得到的目標(biāo)速度和距離的精確度將得到很大的提高。由此可以看出本文的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)算法能夠清楚地探測(cè)到該目標(biāo)，并且通過雙脈沖對(duì)消器及多路脈沖疊加的處理后能夠提高動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)的速度分辨力及測(cè)速精度。

表1 仿真參數(shù)列表Tab.1 Parameters of the simulation

圖2 多路脈沖疊加后MTD處理后結(jié)果Fig.2 Modified MTD result

圖3 傳統(tǒng)MTD與改進(jìn)MTD最大旁瓣對(duì)比Fig.3 Comparison of conventional MTD sidelobe and modified MTD sidelobe

4 結(jié)論

本文提出了基于正交相位編碼信號(hào)的MIMO雷達(dá)測(cè)速測(cè)距算法。該算法用遺傳算法獲取正交四相編碼信號(hào)，以此作為多輸入多輸出雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)；用匹配濾波法分離各路回波信號(hào)以增加相干疊加的脈沖數(shù)；用雙脈沖對(duì)消和多脈沖疊加的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)完成對(duì)目標(biāo)距離和速度的測(cè)量。仿真驗(yàn)證結(jié)果表明：與傳統(tǒng)的測(cè)距測(cè)速方法相比，本文提出的多脈沖疊加測(cè)速測(cè)距算法能夠有效檢測(cè)動(dòng)目標(biāo)的距離和速度，同時(shí)有效地解決了多普勒敏感帶來的盲速問題，提高了測(cè)速精度，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

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MIMO Radar Range-Velocity Measurement Based on Orthogonal Phase Code

GE You, LIU Jingping, ZHAO Huichang, CHEN Si, LIU Dingye

(School of Electronic & Optical Engineering, Nanjing University of Science & Technology, Nanjing 210094,China)

We modified the transmitted signal of the phased coding waveform for MIMO(multiple-input multiple-output) radar, and a new approach for estimating the moving target parameters by multiple-pulse superimposed MTD was introduced. Our work minimized the cost functions of phase codes by the genetic algorithm to insure the orthogonality. Then made the orthogonal phase codes be the transmitted waveform, separating the echoes from different transmitted signals by the matched filters. After this progress, the number of pulses that could be increased. The ranges and velocities of targets by the double pause cancellation MTI and multiple-pulse superimposed MTD were estimates. Compering to conventional range and velocity measurement algorithm, which was discovered that the orthogonal phase codes and the modified algorithm could measure the range and velocity of moving targets accurately and efficiently, and reduced the impacts caused by the Doppler sensitive and blind speed, improved velocity resolution and estimation accuracy.

MIMO radar; phase codes; signal processing; modified MTD

2016-05-11

葛優(yōu)(1992—)，男，江蘇泰興人，碩士研究生，研究方向：雷達(dá)原理，信號(hào)處理。E-mail:546969904@qq.com。

TN958.3

A

1008-1194(2016)06-0080-04