基于四阶累积量的单基地MIMO雷达分布式目标角度估计方法技术

本发明专利技术提供的是一种基于四阶累积量的单基地MIMO雷达分布式目标角度估计方法。M个收发共置的天线阵元，发射端发射相互正交的相位编码信号，接收端接收相互正交的相位编码信号；接收端每个接收阵元的匹配滤波器对接收到的正交信号进行匹配滤波进行分离，得到分布式目标接收信号矩阵；利用分布式目标接收信号矩阵，计算接收信号的四阶累积量矩阵；对四阶累积量矩阵进行特征值分解，求得相互正交的信号子空间与噪声子空间，利用多重信号分类算法构造空间谱函数；利用二维谱峰搜索计算分布式目标角度。本发明专利技术即使在色噪声环境下对中心波达方向角仍有很高的估计精度，且能够估计出分布式目标的扩展角度、实现中心波达方向角与扩展角的自动配对。

【技术实现步骤摘要】
基于四阶累积量的单基地MIMO雷达分布式目标角度估计方法
本专利技术涉及的是一种雷达信号处理方法，具体说是一种单基地多输入多输出MIMO雷达系统的分布式目标角度估计方法。
技术介绍
受到多输入多输出(MIMO)技术在通信领域得到成功应用的影响，提出了是具有高参数估计精度和强生存能力新体制雷达。与传统雷达相比，MIMO雷达利用多个发射通道发射相互正交的编码信号，利用多个接收通道进行匹配滤波处理，因而具有了多通道获取信息的能力，同时产生了虚拟阵元，大大地扩展了阵列孔径，使得MIMO雷达具有很高的目标检测性能。此外由于MIMO雷达阵列天线可以根据系统需求进行灵活布置，可以是收发分置的双基地雷达，也可以是收发共置的单基地雷达，使得MIMO雷达具有很强的生存能力。目标角度估计是MIMO雷达信号处理的一项重要的研究内容，目前国内外很多研究学者已经提出了多种针对MIMO雷达的目标估计算法。在文献MIMO雷达DOD和DOA联合估计算法（航空学报：2012,33(1):1-9）和基于单次快拍的双基地MIMO雷达多目标估计方法（电子与信息学报：2013,35(5):1149-1155）中，这些算法都是基于点目标假设，在实际情况中，信号在传播过程中总会由于多径、散射等因素早称信号能量不集中，入射角在一定范围内呈现特定的统计分布，信源空间分布发生拓展，使得点目标假设不再准确，需要给出分布式目标模型。文献双基地MIMO雷达相干分布式目标快速角度估计算法（电子与信息学报：2011,33(7):1684-1687）提出了一种分布式目标的快速角度估计方法，首先建立了相干分布式目标信号模型，并证明了相干分布式目标的导向矢量具有Hadamard积旋转不变性，利用该特性得到了对相干分布式目标的二维收发中心角的估计。但是该方法是在基于高斯白噪声的假设下完成的，不能够抑制高斯色噪声，因此在高斯色噪声的情况下，该方法的性能会急剧下降，且该算法不能够估计出分布式目标的扩展角度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种即使在色噪声环境下对中心波达方向角仍有很高的估计精度，且能够估计出分布式目标的扩展角度、实现中心波达方向角与扩展角的自动配对的基于四阶累积量的单基地MIMO雷达分布式目标角度估计方法。本专利技术的目的是这样实现的：(1)M个收发共置的天线阵元，发射端发射相互正交的相位编码信号，接收端接收相互正交的相位编码信号，每个收发阵元的间距均为半波长；(2)接收端每个接收阵元的匹配滤波器对接收到的正交信号进行匹配滤波进行分离，得到分布式目标接收信号矩阵；(3)利用得到的分布式目标接收信号矩阵，计算接收信号的四阶累积量矩阵；(4)对四阶累积量矩阵进行特征值分解，求得相互正交的信号子空间与噪声子空间，利用多重信号分类算法构造空间谱函数；(5)利用二维谱峰搜索计算分布式目标角度，即中心波达方向角角和扩展角。本专利技术还可以包括：1、所述的分布式目标接收信号矩阵按如下方法得到：(1)接收阵列接收到的第q个发射脉冲重复周期的回波信号表示为：式中P是目标个数，αpq是第p个目标在第q个发射脉冲重复周期的雷达截面反射系数，为接收导向矢量，λ为载波波长，是分布式目标确定性信号分布函数，s(t)是发射的正交编码信号，Nq(t)是高斯色噪声；(2)对接收信号进行匹配滤波，式表示为：式中在快拍个数是Q时，得到分布式目标信号接收矩阵：式中2、所述的四阶累积量矩阵构造按如下进行：(1)对于n×1维接收信号x，其四阶累积量由下式确定：(2)根据上式，分布式目标接收信号矩阵的四阶累积量矩阵的计算方法为：3、所述对四阶累积量矩阵进行特征值分解为：式中Us是R4最大的P2个特征值对应的特征向量所张成的信号子空间，Σs为最大的P2个特征值组成的对角阵；Un是M4-P2个最小的特征值对应的特征向量所张成的噪声子空间，Σn为M4-P2个最小的特征值组成的对角阵。4、所述的基于多重信号分类算法的空间谱函数构造方法为：(1)信号子空间由导向矢量矩阵的列向量张成，即(2)信号子空间与噪声子空间相互正交(3)得到空间谱函数通过对空间谱函数进行二维谱峰搜索计算得到分布式目标中心波达方向角角和扩展角。本专利技术提出了一种基于四阶累积量的单基地MIMO雷达分布式目标角度估计方法。该方法利用高阶累积量对高斯过程的不敏感性，很好地抑制了高斯色噪声，使得即使在色噪声环境下本方法对中心波达方向角仍有很高的估计精度；且该方法能够估计出分布式目标的扩展角度，实现中心波达方向角与扩展角的自动配对。本专利技术目标参数估计主要包括以下几个方面：1、构造接收信号矩阵的四阶累积量矩阵如图2所示，单基地MIMO系统是由M个收发共置天线组成的均匀线阵，阵元间距均为半波长。在单基地MIMO雷达系统中，波离方向（DOA）与波达方向（DOA）相等，且对应的扩展角度也相等。四阶累积量具有如下性质：(1)、累积量相对其变元具有可加性，即cum{x1+y1,x2,…,xn}=cum{x1,x2,…,xn}+cum{y1,x2,…,xn}（10）(2)、如果随机变量{xi}与{yi}相互独立，那么有下式成立cum{x1+y1,x2+y2,…xn+yn}=cum{x1,x2,…,xn}+cum{y1,y2,…,yn}（11）(3)、高斯随机变量x的k阶累积量(k≥3)恒为0。信号处理中接收信号矩阵往往可以表示为X(t)=AS(t)+N(t)，其中S(t)发射信号，A是导向矢量，N(t)为与发射信号独立的加性噪声。利用性质(1)(2)，X(t)的四阶累积量可以写为C4(X)=C4(AS)+C4(N)。若N(t)为高斯过程，那么C4(N)≡0，这样接收信号X(t)中的早生成分得到了完全抑制。由于雷达阵列发射的是相互正交的编码信号si(t)，利用上述的高阶累积量性质计算接收信号的四阶累积量值：对于M个阵元的单基地MIMO雷达，1≤k1,k2,k3,k4≤M，因此共有M4个四阶累积量值，为操作方便，可以将这M4个值写为四阶累积量矩阵R4，对应元素的位置关系为R4((k1-1)M+k3,(k2-1)M+k4)=C4x(k1,k2,k3,k4)（13）那么与接收信号矩阵对应的四阶累积量矩阵可以写为：这样就得到了所要求的接收信号矩阵的四阶累积量矩阵R4。2、利用特征值分解，得到四阶累积量矩阵的信号子空间与噪声子空间已知接收信号矩阵表达式为由累积量性质(1)、(2)以及Kronecker积的性质对四阶累积量矩阵进行改写：式中由于四阶累积量对高斯过程具有不敏感性，能够抑制高斯色噪声，因此理论上C4n=0，能够消除高斯色噪声对参数估计的影响。这就是基于四阶累积量算法抑制高斯色噪声的理论基础。四阶累积量矩阵R4的特征值分解为在P个不相关目标的情况下，rank(B)=P，而四阶累积量的信号子空间Us由P2个最大的特征值所对应的特征矢量组成，噪声子空间Un由M4-P2个最小的特征值所对应的特征矢量组成。信号子空间是由导向矢量张成的，那么有3、利用多重信号分类算法，构造空间谱函数由于信号子空间与噪声子空间相互正交，即Us⊥Un，而信号子空间由导向矢量的列向量张成，可以得到下式式中这就可以得到空间谱函数4、通过对空间谱函数进行二维谱峰搜索估计出中心波达角和扩展角。本专利技术与现有技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于四阶累积量的单基地MIMO雷达分布式目标角度估计方法，其特征是： (1)M个收发共置的天线阵元，发射端发射相互正交的相位编码信号，接收端接收相互正交的相位编码信号，每个收发阵元的间距均为半波长； (2)接收端每个接收阵元的匹配滤波器对接收到的正交信号进行匹配滤波进行分离，得到分布式目标接收信号矩阵； (3)利用得到的分布式目标接收信号矩阵，计算接收信号的四阶累积量矩阵； (4)对四阶累积量矩阵进行特征值分解，求得相互正交的信号子空间与噪声子空间，利用多重信号分类算法构造空间谱函数； (5)利用二维谱峰搜索计算分布式目标角度，即中心波达方向角角和扩展角。

【技术特征摘要】
1.一种基于四阶累积量的单基地MIMO雷达分布式目标角度估计方法，其特征是：(1)M个收发共置的天线阵元，发射端发射相互正交的相位编码信号，接收端接收相互正交的相位编码信号，每个收发阵元的间距均为半波长；(2)接收端每个接收阵元的匹配滤波器对接收到的正交信号进行匹配滤波进行分离，得到分布式目标接收信号矩阵；(3)利用得到的分布式目标接收信号矩阵，计算接收信号的四阶累积量矩阵；(4)对四阶累积量矩阵进行特征值分解，求得相互正交的信号子空间与噪声子空间，利用多重信号分类算法构造空间谱函数；(5)利用二维谱峰搜索计算分布式目标角度，即中心波达方向角角和扩展角；所述的分布式目标接收信号矩阵按如下方法得到：1)接收阵列接收到的第q个发射脉冲重复周期的回波信号表示为：式中P是目标个数，αpq是第p个目标在第q个发射脉冲重复周期的雷达截面反射系数，为接收导向矢量，λ为载波波长，是分布式目标确定性信号分布函数，s(t)是发射的正交编码信号，N(t)是高斯色噪声；2)对接收信号进行匹配滤波，式表示为：式中S(t)＝[s1(t),s2(t),…,sM(t)]T，n(t)表示经匹配滤波后的高斯色噪声，在快拍个数是Q时，得到分布式目标信号接收矩阵：式中所述的四阶累积量矩阵构造按如下进行：1)对于n×1维接收信号x，其四阶累积量由下式确定：

【专利技术属性】
技术研发人员：王伟，王犇，刘琦，李欣，黄平，王冠男，司佳希，马跃华，王慧，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23