一种频率-相位混合编码的MIMO雷达波形设计

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2023.06.014

摘要/Abstract

摘要：

针对MIMO雷达中常规单载频子脉冲相位编码信号的频带较窄、距离分辨率不高，以及线性调频-相位编码信号模糊函数有“栅瓣”的问题，提出了一种基于置换矩阵时频分布的线性调频-相位编码（perm-LFM-PC，PLP）混合波形的正交波形集设计方法。由于置换矩阵时频分布调制方法引入置换序列调频编码，使得PLP波形的峰值旁瓣（ASP）和互相关峰值（CP）有所升高。为此，以ASP和CP的总和为代价函数，建立PLP波形集优化模型，并提出一种多种群优化遗传算法(MSO-GA)，对调频编码序列和相位编码序列进行联合优化。仿真结果表明，PLP波形具有易于实现宽频带的优点和图钉状模糊函数，经过算法优化后的PLP波形集的ASP和CP较低，适用于MIMO雷达系统。

关键词: MIMO雷达, perm-LFM-PC波形, 频率编码, 相位编码, 多种群优化遗传算法

Abstract:

To address the problems of narrow frequency band and low distance resolution of conventional single carrier frequency sub-pulse phase coded signals in the multiple input multiple output （MIMO） radar， as well as the problem of “gating lobe” in the fuzzy function of linear frequency modulation （LFM）-phase coded signals， a design method for orthogonal waveform sets of LFM-phase coded mixed waveform based on time-frequency distribution of permutation matrix （Perm-LFM-PC， PLP） is proposed. The autocorrelation sidelobe peak （ASP） and cross-correlation peak （CP） of PLP waveforms are increased due to the introduction of permutation sequence FM code by the time-frequency distribution modulation method of the permutation matrix. Therefore， a PLP waveform set optimization model is developed in this paper with the sum of ASP and CP as the cost function， and proposes a multiple swarm optimization genetic algorithm （MSO-GA） is proposed to jointly optimize the FM coding sequence and the phase coding sequence. The simulation results show that the PLP waveform has the advantages of easy implementation of broad frequency band and peg-like fuzzy functions， and the ASP and CP of the algorithm-optimized PLP waveform set are lower and suitable for MIMO radar systems.

Key words: multiple input multiple output（MIMO） radar, perm-LFM-PC waveform, frequency coding, phase coding, multiple swarm optimization genetic algorithm （MSO-GA）

中图分类号:

TN911.7

廖正龚, 任渊, 毕井章. 一种频率-相位混合编码的MIMO雷达波形设计[J]. 现代防御技术, 2023, 51(6): 112-122.

Zhenggong LIAO, yuan REN, Jingzhang BI. A Frequency-Phase Hybrid Coded Waveform Design for MIMO Radar[J]. Modern Defense Technology, 2023, 51(6): 112-122.

图/表 14

图1 PLP波形结构示意图

Fig. 1 PLP waveform structure

图2 PLP信号模糊函数图

Fig. 2 Fuzzy function of PLP signal

图3 多种群优化遗传算法结构示意图

Fig. 3 Structure of multi-population optimization genetic algorithm

图4 多种群优化遗传算法代价函数曲线

Fig. 4 Cost function curve of MSO-GA

表1 PLP优化相位序列

Table 1 Optimized phase sequence of PLP

波形编号	相位编码
1	1 0 0 1 3 3 1 2 2 2 3 0 1 2 0 2 2 1 1 3 2 1 1 3 2 0 3 3 3 3 3 0 2 3 0 3 1 0 1 0
2	0 2 1 2 3 1 1 0 1 1 0 2 0 3 2 1 2 1 3 0 1 2 0 2 3 3 0 3 3 0 2 0 1 0 2 0 2 1 1 3
3	2 3 0 3 1 2 0 0 2 1 0 2 3 1 3 2 2 3 0 0 2 1 1 0 2 2 2 0 2 1 0 0 0 2 1 0 0 0 0 0
4	2 2 1 3 0 3 1 3 0 1 1 3 0 2 1 0 3 2 0 1 3 3 0 1 1 1 2 2 2 1 0 0 3 2 1 1 2 1 1 3

表2 PLP优化置换序列调频编码

Table 2 FM coding of PLP-optimized permutation sequence

编号	PLP置换序列调频编码
1	36 24 21 12 26 34 20 25 4 35 30 3 16 1 11 29 38 32 28 40 6 22 2 19 17 13 27 31 9 5 14 7 39 15 37 18 33 23 10 8
2	19 3 6 12 9 38 35 7 15 37 34 11 33 16 13 25 40 17 1 5 21 26 18 10 29 24 36 14 32 39 20 22 23 28 2 8 4 31 30 27
3	15 19 30 10 23 29 25 24 13 16 1 2 5 8 36 12 17 34 28 14 38 32 20 27 40 37 9 35 7 21 33 22 31 39 6 4 11 26 3 18
4	15 9 4 12 3 5 11 13 29 1 39 20 10 30 35 19 25 6 18 14 24 26 37 38 28 2 8 22 31 16 17 7 21 32 34 36 23 40 27 33

表3 PLP优化波形集的ASP和CP值（归一化）

Table 3 ASP and CP Values （normalized amplitude） of PLP-optimized waveform set

编号	1	2	3	4
1	0.137 2	0.180 3	0.149 6	0.131 5
2	0.180 3	0.109 8	0.157 4	0.135 5
3	0.149 6	0.157 4	0.111 9	0.151 3
4	0.131 5	0.135 5	0.151 3	0.122 6

图5 MSO-GA与其他GA优化的ASP对比图

Fig. 5 ASP comparison of MSO-GA and other GAs

图6 MSO-GA与其他文献GA优化的CP对比图

Fig. 6 CP comparison of MSO-GA and other GAs

图7 MSO-GA与其他算法优化的ASP对比图

Fig. 7 ASP comparison between MSO-GA and other algorithms

图8 MSO-GA与其他算法优化后的CP对比图

Fig. 8 CP Comparison between MSO-GA and other algorithms

表4 本文方法与其他文献平均 ASP，CP 值比较

Table 4 Comparison of average ASP and CP values between proposed method and other literature

文献	CP	ASP
［3］	0.199 1	0.153 1
［4］	0.208 9	0.147 9
［5］	0.207 0	0.129 4
［7］	0.177 8	0.133 4
［11］	0.218 8	0.128 8
［12］	0.213 1	0.166 1
［13］	0.206 0	0.137 7
本文	0.150 4	0.109 8

图9 各个信号的匹配滤波输出脉宽对比图

Fig. 9 Comparison of matched filter output of PLP， phase coding and LFM-PC signal

图10 各信号的匹配滤波输出与子脉宽、子带宽的关系图

Fig. 10 Relationship between the matched filtering output of each signal and the pulse width and bandwidth

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