專利名稱：色噪聲環(huán)境下的多輸入多輸出雷達(dá)收發(fā)角度快速估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種雙基地MIMO雷達(dá)多目標(biāo)收發(fā)角度估計(jì)方法。
背景技術(shù)：
多輸入多輸出(MMO)雷達(dá)是借鑒通信領(lǐng)域的多輸入多輸出技術(shù)而提出一種具有高探測性能的新體制雷達(dá)。與傳統(tǒng)的相控陣?yán)走_(dá)相比，MMO雷達(dá)在發(fā)射端發(fā)射相互正交的波形，在接收端可以通過匹配濾波形成一個(gè)很大的虛擬陣列孔徑，提高了探測目標(biāo)的空間分辨率同時(shí)也增加了雷達(dá)的自由度。目前MIMO雷達(dá)主要分為以下兩種，一種是共址MIMO雷達(dá)，也即單/雙基地MIMO雷達(dá)，該雷達(dá)的發(fā)射端和接收端的陣元均為集中式的分布，通過不同發(fā)射天線發(fā)射正交信號在接收端匹配形成一個(gè)很長的虛擬陣列，這些虛擬陣元可以形成一個(gè)低旁瓣的窄帶波束，提高目標(biāo)角分辨率和角度估計(jì)的精度，獲得很好的參數(shù)估計(jì)性能；同時(shí)增加雷達(dá)的自由度，可以探測更多的目標(biāo)。另一種為統(tǒng)計(jì)MMO雷達(dá)，該MBTO雷達(dá)的發(fā)射端和接收端的陣元均為寬分布式的排列方式，可以獲得空間分集特性抑制目標(biāo)閃爍的缺點(diǎn)。同時(shí)，MIMO雷達(dá)在抗干擾、載波抑制和低截獲率方面均具有很大的優(yōu)勢。在MIMO雷達(dá)系統(tǒng)中，目標(biāo)相對于發(fā)射陣列的波離方向(DOD)和相對于接收陣列的波達(dá)方向(DOA)為多目標(biāo)定位時(shí)的重要估計(jì)參數(shù)。目前對多目標(biāo)的收發(fā)角度估計(jì)主要集中于假設(shè)背景噪聲為白噪聲的情況進(jìn)行研究的:C Duofang等在Electronics Letters期刊的2008年第44卷第12期的770頁至771頁提出了一種ESPRIT算法，該方法將ESPRIT算法同時(shí)應(yīng)用在雙基地MMO雷達(dá)的發(fā)射端和接收端，利用信號子空間的旋轉(zhuǎn)不變性實(shí)現(xiàn)了收發(fā)角度的正確配對，但需要進(jìn)行額外配對。陳金立等在電子與信息學(xué)報(bào)的2009年第31卷第7期的1664頁至1668頁提出了一種雙基地MMO雷達(dá)快速多目標(biāo)定位方法，該方法利用兩次一維ESPRIT算法 之間的關(guān)系實(shí)現(xiàn)了收發(fā)角度的自動(dòng)配對。但是背景噪聲為高斯色噪聲時(shí)，以上這些算法的角度估計(jì)性能會(huì)嚴(yán)重下降，有時(shí)甚至?xí)l(fā)生錯(cuò)誤估計(jì)。針對色噪聲的環(huán)境，Jin Ming等在Signal Processing期刊的2009年第89卷第2期的244頁至251頁提出了一種在發(fā)射端利用三天線的ESPRIT算法消除色噪聲的影響，劉曉莉等在電子與信息學(xué)報(bào)的2010年第32卷第9期的2179頁至2183頁提出了一種在接收端利用雙天線的MUSIC-ESPRIT算法消除色噪聲的影響。但上述方法分別對發(fā)射陣元和接收陣元的數(shù)目有特殊要求，不具有實(shí)用性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可以有效抑制高斯色噪聲的影響，提高目標(biāo)收發(fā)角度的估計(jì)性能，降低運(yùn)算復(fù)雜度，同時(shí)對發(fā)射/接收陣元的數(shù)目沒有特殊要求，更具有實(shí)用性的色噪聲環(huán)境下的多輸入多輸出雷達(dá)收發(fā)角度快速估計(jì)方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:(I)雙基地MMO雷達(dá)系統(tǒng)由M個(gè)發(fā)射陣元和N個(gè)接收陣元組成。M個(gè)發(fā)射陣元發(fā)射相互正交的波形，在接收端通過Α/D采樣模塊采集每個(gè)接收陣元的回波信號，將每個(gè)接收陣元的采集信號通過一個(gè)匹配濾波器組，分離出相應(yīng)的各個(gè)發(fā)射通道的信號，得到一個(gè)陣元數(shù)為匪的虛擬陣列的接收數(shù)據(jù)Yr (t)；(2)對虛擬陣列的接收數(shù)據(jù)YJt)進(jìn)行重排，得到一新矩陣Yt (t);具體方法為:將Yr (t) — [y1； y2>...，Υι, Υι+1, Υι+2)...，Y2M)...，y (N-1)M+1> J G-1)M+2)...，YnM^ 進(jìn)7TT有限次的行對調(diào)變換，得到一個(gè)與'(t)等價(jià)的新矩陣Yt (t)，Yt ( ) [yI Ym+ij...，y(N-1)M+1，又2，Ym+2，...，y(n-ι)m+2J...，Ymj y2Mj...，Ynm-1(丄)= CtSt(t) +Nt(t)其中:yi為接收數(shù)據(jù) Yr(t) = CrSr (t)+Nr (t)的第 i 個(gè)列矢量(i = 1，2，...，ΝΜ)，(；為收發(fā)角度的聯(lián)合導(dǎo)向矢量矩陣，Sr(t)是P個(gè)目標(biāo)散射回來的信號矩陣，Nr(t)為噪聲矩陣；Ct、St(t)和Nt(t)分別為重排后的聯(lián)合導(dǎo)向矢量矩陣、信號矩陣和噪聲矩陣，(.)τ表示向量或矩陣的轉(zhuǎn)置運(yùn)算。同時(shí)矩陣Yr(t)和Yt(t)兩者之間的等價(jià)關(guān)系表示為Yt (t) = JYr (t) =JCrSr (t)+JNr (t)(2)= CtSt(t) +Nt(t)其中J為麗X麗維轉(zhuǎn)換矩陣，對應(yīng)的有限次對調(diào)變換可表示為
權(quán)利要求
1.一種色噪聲環(huán)境下的多輸入多輸出雷達(dá)收發(fā)角度快速估計(jì)方法，其特征是包括如下過程: (1)M個(gè)發(fā)射陣元同時(shí)發(fā)射相互正交的窄帶信號，N個(gè)接收陣元接收回波信號，并且發(fā)射和接收陣列都是半波長均勻線陣，所有陣元都是全向的； (2)通過A/D采樣模塊采集每個(gè)接收陣元的回波信號，將每個(gè)接收陣元的采集信號通過一個(gè)匹配濾波器組，分離出相應(yīng)的各個(gè)發(fā)射通道的信號，得到一個(gè)陣元數(shù)為匪的虛擬陣列的接收數(shù)據(jù)乙⑴； (3)將虛擬矩陣的接收數(shù)據(jù)進(jìn)行重排，得到一新矩陣Yt(t)； (4)將虛擬陣列的接收數(shù)據(jù)YJt)和重排后的矩陣Yt(t)分別進(jìn)行子陣劃分，獲得發(fā)射端和接收端的旋轉(zhuǎn)不變特性； (5)根據(jù)四階累積量的基本定義，構(gòu)造出兩個(gè)四階累積量矩陣對； (6)對四階累積量矩陣進(jìn)行特征值分解，分別獲得包含發(fā)射和接收旋轉(zhuǎn)不變特性的信號子空間； (7)根據(jù)信號子空間，利用ESPRIT算法分別估計(jì)出目標(biāo)的收發(fā)角度； (8)利用最大似然估計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)收發(fā)角度的正確配對。
2.根據(jù)權(quán)利I所述的色噪聲環(huán)境下的多輸入多輸出雷達(dá)收發(fā)角度快速估計(jì)方法，其特征是所述的對虛擬陣列的接收數(shù)據(jù)YJt)進(jìn)行重排，得到一新矩陣Yt (t)，按如下方式進(jìn)行: 將 Yr (t)-1iy1, y2>...，Υι, Yi+1, Yi+2)...，Y2M)...，y (N-1)M+1> y (N-1) M+2)...，YnM^ 進(jìn) 7TT有限次的行對調(diào)變換，得到一個(gè)與乙(t)等價(jià)的新矩陣Yt (t): Yt(t)_[y"l，Υμ+1)...，y (N-1) M+l) 5^2，yM+2)...，y (N-1) M+2，...，Yd y"2M，...，Ynm] =CtSt (t) +Nt (t) 其中Ji為接收數(shù)據(jù)Yr (t) =CrSr (t)+Nr (t)的第i個(gè)列矢量，1=1, 2,..., NM, Cr為收發(fā)角度的聯(lián)合導(dǎo)向矢量矩陣，SJt)是P個(gè)目標(biāo)散射回來的信號矩陣，Nr(t)為噪聲矩陣；Ct、St(t)和Nt(t)分別為重排后的聯(lián)合導(dǎo)向矢量矩陣、信號矩陣和噪聲矩陣，(.)τ表示向量或矩陣的轉(zhuǎn)置運(yùn)算。
3.根據(jù)權(quán)利I所述的色噪聲環(huán)境下的多輸入多輸出雷達(dá)收發(fā)角度快速估計(jì)方法，其特征是所述的將虛擬陣列的接收數(shù)據(jù)YJt)和重排后的矩陣Yt (t)分別進(jìn)行子陣劃分，獲得發(fā)射端和接收端的旋轉(zhuǎn)不變特性，按如下方式進(jìn)行: 1)分別取乙(t)的前M(N-1)行和后M(N-1)行的輸出數(shù)據(jù)構(gòu)造成M(N-1)XP維矩陣，記為 Yrl (t)和 Yr2 (t)， 2)分別取Yt(t)的前N(M-1)行和后N(M-1)行的輸出數(shù)據(jù)構(gòu)造成N(M-1) XP維矩陣，記為Ytl⑴和Yt2⑴:
4.根據(jù)權(quán)利I所述的色噪聲環(huán)境下的多輸入多輸出雷達(dá)收發(fā)角度快速估計(jì)方法，其特征是所述的根據(jù)四階累積量的基本定義，構(gòu)造出兩個(gè)四階累積量矩陣對，按如下方式進(jìn)行:
5.根據(jù)權(quán)利I所述的色噪聲環(huán)境下的多輸入多輸出雷達(dá)收發(fā)角度快速估計(jì)方法，其特征是所述的對四階累積量矩陣Rtl和Rri進(jìn)行特征值分解，分別獲得包含發(fā)射和接收旋轉(zhuǎn)不變特性的信號子空間，按如下步驟進(jìn)行: 1)對四階累積量矩陣Rtl和Rri進(jìn)行特征值分解，分別得到匪個(gè)特征值和匪個(gè)特征值所對應(yīng)的特征矢量； 2)取Rtl分解得到的P個(gè)大特征值所對應(yīng)的特征矢量構(gòu)成信號子空間Ust;取Rrt分解得到的P個(gè)大特征值所對應(yīng)的特征矢量構(gòu)成信號子空間U—其中P為目標(biāo)數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利I所述的色噪聲環(huán)境下的多輸入多輸出雷達(dá)收發(fā)角度快速估計(jì)方法，其特征是所述的求解目標(biāo)的收發(fā)角度，按如下步驟進(jìn)行: 1)利用ESPRIT算法求解旋轉(zhuǎn)發(fā)射不變關(guān)系矩陣-X: (U
RnUmr1，然后對Ψ 進(jìn)行特征值分解，由P個(gè)特征值可以求解出P個(gè)目標(biāo)的發(fā)射角度； 2)利用ESPRIT算法求解接收旋轉(zhuǎn)不變關(guān)系矩陣:W1= (U^.Rr2Usl.HU^R,, UJ-1，對進(jìn)行特征值分解，由P個(gè)特征值求解出P個(gè)目標(biāo)的接收角度。
7.根據(jù)權(quán)利I所述的色噪聲環(huán)境下的多輸入多輸出雷達(dá)收發(fā)角度快速估計(jì)方法，其特征是所述的利用最大似然估計(jì)方法實(shí)現(xiàn)收發(fā)角度的正確配對，按如下方式進(jìn)行: 利用最大似然估計(jì)算法對角度進(jìn)行匹配，其中P個(gè)使得代價(jià)函數(shù) 取值最小值的收發(fā)角度組合方式，即為正確的收發(fā)角度配對方式；所述代價(jià)函數(shù)為
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種色噪聲環(huán)境下的多輸入多輸出雷達(dá)收發(fā)角度快速估計(jì)方法。1)將A/D采樣模塊采集的各接收陣元的回波信號進(jìn)行匹配濾波，得到虛擬陣列的接收數(shù)據(jù)；2)將虛擬陣列的接收數(shù)據(jù)進(jìn)行重排；3)對接收數(shù)據(jù)和重排后的矩陣分別進(jìn)行子陣劃分，滿足發(fā)射端和接收端的旋轉(zhuǎn)不變特性；4)構(gòu)造出兩個(gè)四階累積量矩陣對；5)分別通過特征值分解獲得包含發(fā)射和接收旋轉(zhuǎn)不變特性的信號子空間；6)利用ESPRIT算法估計(jì)出目標(biāo)的收發(fā)角度；7)利用最大似然估計(jì)方法實(shí)現(xiàn)收發(fā)角度的正確配對。本發(fā)明可有效抑制高斯色噪聲的影響，對發(fā)射/接收陣元數(shù)無特殊要求，其估計(jì)精度高、計(jì)算復(fù)雜度低，可用于跟蹤和制導(dǎo)中對海面或低空目標(biāo)的定位。
文檔編號G01S7/41GK103217671SQ201310122148
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月10日
發(fā)明者徐定杰, 李沫璇, 王偉, 王咸鵬, 宋金陽, 王志華, 李強(qiáng), 馬躍華, 王金龍 申請人:哈爾濱工程大學(xué)