一种波离角和二维波达角自动配对联合估计方法技术

一种波离角和二维波达角自动配对联合估计方法，基于发射端为均匀线性天线阵列，接收端为均匀矩形天线阵列的大规模MIMO雷达系统，接收到的目标回波信号经匹配滤波后乘以波束空间变换矩阵BH后记为Y；对[Re{Y},Im{Y}]进行奇异值分解，得到信号子空间Es；根据天线阵列的旋转不变性关系估计变换矩阵Ψu、Ψv、Ψg；计算Ψu+jΨv和Ψu+jΨg的特征值{ηp}和{μp}，p＝1,…,P；根据特征值ηp、μp分别计算空间频率和和根据和得到自动配对后的DOA俯仰角DOA方位角和DOD本发明专利技术方法利用流型矩阵的复共轭性，通过酉变换将复数矩阵转换到实数域处理，再利用旋转不变性和酉矩阵的性质联合估计参数，并实现自动配对。对比现有技术，本发明专利技术复杂度低，节约运行时间。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种波离角和二维波达角自动配对联合估计方法，尤其涉及一种大规模多输入多输出雷达系统(Massive MIMO Rader System)的波离角(Direction of Departure，DOD)和二维波达角(Two-dimensional Direction of Arrival，2D DOA)自动配对联合估计的方法，属于通信

技术介绍
随着无线通信技术的发展，高速数据传输的需求不断增加，信道环境也变得越来越复杂，空间频谱资源有限，然而需求还在不断提高。MIMO(Multiple Input Multiple Output)通信系统可以获得空间分集增益，大规模MIMO技术能够有效提高系统的频谱效率和传输可靠性，通过空间复用增加信道容量，在无线通信领域中被广泛研究。MIMO雷达是一种应用了MIMO技术的新体制雷达，它使用多个发射天线同时发送多个独立信号照射目标，同时使用多个天线接收回波信号，具有诸多优点，现已成为一个研究热点。目标参数估计，如波离角(DOD)和波达角(DOA)的估计，是双基地MIMO雷达中最重要的方面之一。多重信号分类(Multiple Signal Classification，MUSIC)算法是DOD和DOA估计的一种常用方法，降维MUSIC算法只需一维谱搜索，可避免二维MUSIC(2D-MUSIC)的高计算开销。旋转不变技术(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techiques，ESPRIT)方法可利用发射阵列和接收阵列的旋转不变性估计信号参数，避免了谱搜索过程。与本专利技术相关的文章和专利有以下四篇，下文将分别对其进行分析：文章(1)：《Electronics Letters》2008年44卷第12期，题目为：“Angle estimation using ESPRIT in MIMO radar”，利用传统的天线振子旋转不变算法估计目标DOD和DOA，但这种方法还需要一个额外的配对过程，具有较高的复杂度。文章(2)：《Electronics Letters》2008年44卷第24期，题目为：“Angle estimation using ESPRIT without pairing in MIMO radar”，利用酉旋转不变算法解决了自动配对问题，但这种方法在大规模MIMO雷达系统中计算复杂度会非常高。专利(1)：申请号201210449045，标题为“双基地多输入多输出雷达的多目标收发角度估计方法”，利用酉旋转不变方法求得目标DOD和DOA，并实现自动配对，但该方法只针对收发天线都是一维线性阵列的情况，未实现二维DOA估计。专利(2)：申请号201510104318，标题为“大规模MIMO系统中基于TLS-ESPRTT算法的2D DOA估计”，利用基于TLS的旋转不变算法实现了2D DOA估计，但该方法不能将DOD和2D DOA进行联合估计。无论是否自动配对，传统的天线振子旋转不变方法和酉旋转不变方法在大规模MIMO阵列场景下计算复杂度都会非常高。且前文所述方法大多考虑的是一维阵列的情况，但是，由于阵列孔径的限制，预计大规模MIMO天线阵列将会是大于一维的。专利(2)解决了大规模MIMO系统中的2D DOA估计问题，但并没有实现DOD和2D DOA的联合估计。本专利技术的目的旨在克服估计复杂度高的问题，针对大规模MIMO雷达系统，提出了一种可实现自动配对的DOD和2D DOA联合估计方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是为解决大规模MIMO雷达系统中收发角度估计复杂度过高以及DOD和2D DOA无法联合估计的技术现状，提出了一种波离角和二维波达角自动配对联合估计方法。本专利技术的核心技术思想是利用流型矩阵自身的复共轭对称性对其进行一个酉变换，将复数流型矩阵转化为实数矩阵，然后再利用流型矩阵的旋转不变性和酉矩阵的性质联合估计DOD和2D DOA，并且该过程可以实现角度的自动配对，即在保证一定准确率的情况下，不进行配对，从而达到降低大规模MIMO雷达系统DOD和2D DOA联合估计复杂度的目标；一种波离角和二维波达角自动配对联合估计方法，简称本方法；基于如下系统，简称本系统；本系统是一个双基地MIMO雷达，发射端为W个阵元的均匀线性阵列(Uniform Linear Array，ULA)，接收端为放置在X-Z平面的含有MN个阵元的均匀矩形阵列，其中，每一个阵元即为一个发射天线，每两个阵元的间距为半波长，发射天线发送具有相同带宽和中心频率的正交波形，且有P个不相干的目标位于同一空域；其中，接收端包括匹配滤波器和数据处理单元；本方法，具体包括以下步骤：步骤1，发射端发送信号，经目标反射后得到回波信号并进行采样，得出采样后的信号；其中，经目标反射后得到的回波信号，记为s(t)；采样后信号记为：S＝[s(1),...,s(L)]，其中L为采样个数；S为L个采样点的集合；s(1),...,s(L)代表s(ts),...,s(L*ts)，ts为采样间隔，分别对应第1,...,L个采样后的信号；步骤2，接收端经过匹配滤波器后的信号乘以波束空间变换矩阵；其中，经匹配滤波器后的信号记为X，且X可以表示为X＝AS+W，其中A为阵列流型矩阵，W为噪声；接收端经匹配滤波器后的信号乘以波束空间变换矩阵BH后记为Y，即：Y＝BHX；其中，表示克罗内克积，(·)H表示共轭转置，和为本系统接收端X-Z平面的X及Z两个方向上的接收波束空间变换矩阵，为发射空间变换矩阵；其中，的第l行元素表示为公式(1)： b g , l H = e j ( W - 1 2 ) ( l - 1 ) 2 π W · [ 1 , e - j ( l - 1 ) 2 π W , ... , e - 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种波离角和二维波达角自动配对联合估计方法，其特征在于：一种波离角和二维波达角自动配对联合估计方法，简称本方法；基于如下及系统，简称本系统；本系统是一个双基地MIMO雷达，发射端为W个阵元的均匀线性阵列(Uniform Linear Array，ULA)，接收端为放置在X‑Z平面的含有MN个阵元的均匀矩形阵列，其中，每一个阵元即为一个发射天线，每两个阵元的间距为半波长，发射天线发送具有相同带宽和中心频率的正交波形，且有P个不相干的目标位于同一空域；其中，接收端包括匹配滤波器和数据单元。

【技术特征摘要】
1.一种波离角和二维波达角自动配对联合估计方法，其特征在于：一种波离角和二维波达角自动配对联合估计方法，简称本方法；基于如下及系统，简称本系统；本系统是一个双基地MIMO雷达，发射端为W个阵元的均匀线性阵列(Uniform Linear Array，ULA)，接收端为放置在X-Z平面的含有MN个阵元的均匀矩形阵列，其中，每一个阵元即为一个发射天线，每两个阵元的间距为半波长，发射天线发送具有相同带宽和中心频率的正交波形，且有P个不相干的目标位于同一空域；其中，接收端包括匹配滤波器和数据单元。2.权利要求1中所述的一种波离角和二维波达角自动配对联合估计方法，其特征还在于：本方法，具体包括以下步骤：步骤1，发射端发送信号，经目标反射后得到回波信号并进行采样，得出采样后的信号；步骤2，接收端经过匹配滤波器后的信号乘以波束空间变换矩阵；步骤3，对经步骤2变换后的信号矩阵做奇异值分解，计算其信号子空间；步骤4，根据酉旋转不变关系方程，通过总体最小二乘(Total Least Squares，TLS)算法估计天线阵列的旋转不变关系矩阵；步骤5，计算步骤4输出的旋转不变关系矩阵的特征值；步骤6，根据步骤5输出的旋转不变关系矩阵特征值计算空间频率；步骤7，根据步骤6输出的空间频率得到自动配对之后的DOA俯仰角和DOA方位角，以及自动配对之后的DOA俯仰角和DOD，从而得到三个角度的自动配对；至此，从步骤1到步骤7，完成了一种波离角和二维波达角自动配对联合估计方法。3.权利要求2中所述的一种波离角和二维波达角自动配对联合估计方法，其特征还在于：步骤1中，经目标反射后得到的回波信号，记为s(t)；采样后信号记为：S＝[s(1),...,s(L)]，其中L为采样个数；S为L个采样点的集合；s(1),...,s(L)代表s(ts),...,s(L*ts)，ts为采样间隔，分别对应第1,...,L个采样后的信号。4.权利要求2中所述的一种波离角和二维波达角自动配对联合估计方法，其特征还在于：步骤2中，经匹配滤波器后的信号记为X，且X可以表示为X＝AS+W，其中A为阵列流型矩阵，W为噪声；接收端经匹配滤波器后的信号乘以波束空间变换矩阵BH后记为Y，即：Y＝BHX；其中，表示克罗内克积，(·)H表示共轭转置，和为本系统接收端X-Z平面的X及Z两个方向上的接收波束空间变换矩阵，为发射空间变换矩阵；其中，的第l行元素表示为公式(1)： b g , l H = e j ( W - 1 2 ) ( l - 1 ) 2 π W · [ 1 , e - j ( l - 1 ) 2 π W , ... , e - j ( W - 1 ) ( l - 1 ) 2 π W ] , 1 ≤ l ≤ L W - - - ( 1 ) ]]>的第l行元素表示为公式(2)： b u ...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢成文，周园，魏星，费泽松，匡镜明，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11