考虑发射波形非理想正交的MIMO雷达目标测向方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种考虑发射波形非理想正交的MIMO雷达目标测向方法及系统，包括以下步骤：发射天线阵列发射T次脉冲，回波信号经匹配滤波构成T个快拍数据向量；设置一个对空间角度全覆盖的均匀抽样角度网格集合，构造拓展阵列流型矩阵；利用T个快拍数据向量计算压缩换位样本协方差矩阵；构建稀疏支撑向量并初始化；构建噪声功率加权发射信号互相关系数矩阵并初始化；计算获得后验均值向量和后验协方差矩阵；更新稀疏支撑向量；基于矩阵联合对角化更新噪声功率加权发射信号互相关系数矩阵；根据当前更新后的稀疏支撑向量上的峰值在角度网格集合上所对应的角度，获取波达方向。其测向精度高，能够在发射信号波形非理想正交情况下进行目标测向。

【技术实现步骤摘要】
考虑发射波形非理想正交的MIMO雷达目标测向方法及系统
本专利技术涉及雷达通信
，尤其是指一种考虑发射波形非理想正交的MIMO雷达目标测向方法及系统。
技术介绍
目前，多输入多输出(MIMO)雷达是一种包含发射阵列多天线和接收阵列多天线的新体制雷达。MIMO雷达的发射阵列的各天线发射相互正交的波形，这些电磁波形在空间中混合、经远场被探测目标反射并被MIMO雷达接收阵列的各天线所接收。利用相互正交的发射信号波形，对接收阵列所接收的多路信号作匹配滤波，可获得虚拟拓展阵列上的扩充接收数据，其本质上是利用了正交发射波形对应的空间分集所带来的对目标探测增强。MIMO雷达相对于传统雷达，其探测性能得到了显著提升。这种性能提升得益于发射阵列各天线发射信号波形理想正交的假设，目前绝大多数MIMO雷达的信号测向方法都是在此假设下设计的。虽然波形设计本身可实现理想正交，但在实际应用中，由于前端射频电路与天线设计的局限、各发射通道之间不能完全隔离等因素，最终由发射阵列各天线向外发射的信号很难达到理想正交。在这个背景下，理想阵列流形将受到发射波形互相关矩阵的污染，以发射信号理想正交为前提条件的各类MIMO雷达的信号测向方法的性能都将不同程度地降低甚至失效。另外，由于MIMO雷达往往需要实现多种(甚至带内任意)频率、多种占空比乃至多种编码方式信号的收发，因此实测并存储任意条件下的发射波形互相关矩阵是不经济也不现实的。由此可见，在实际应用中需要解决发射波形非理想正交且其互相关矩阵未知的MIMO雷达目标测向问题。该问题涉及到未知信号来向(波达方向，DOA)、噪声功率、发射波形互相关矩阵三方面耦合的问题，因此如何处理这三者之间的关系并给出较精确与鲁棒的信号测向结果，是业界关注的问题。现有技术往往存在以下技术缺陷：绝大多数现有方法都是在默认发射信号波形理想正交的前提下设计的，当发射信号波形非理想正交时，这些方法性能将显著下降；另外个别方法虽然考虑了发射信号波形非理想正交的情况，但又同时假设发射波形互相关矩阵已知，这无法满足实际需求；一些方法考虑了发射信号波形非理想正交且发射波形互相关矩阵未知的情况，它们的主要思想是通过各种手段估计无噪协方差矩阵并应用子空间方法进行DOA估计，这些方法都可归纳为一种近似估计，未对该问题中未知信号来向、噪声功率以及发射波形互相关矩阵三方面未知量的耦合关系加以考虑，更未对他们充分建模与计算。
技术实现思路
为此，本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术中发射信号波形非理想正交情况下，测试性能下降的技术缺陷。为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种考虑发射波形非理想正交的MIMO雷达目标测向方法，包括以下步骤：S1、发射天线阵列发射T次脉冲，接收天线阵列获取远场方向未知目标对T次脉冲的回波信号，所述回波信号经匹配滤波构成T个快拍数据向量；S2、设置一个对空间角度全覆盖的均匀抽样角度网格集合，并基于均匀抽样角度网格集合构造拓展阵列流型矩阵；利用T个快拍数据向量计算压缩换位样本协方差矩阵；S3、构建稀疏支撑向量并初始化；构建噪声功率加权发射信号互相关系数矩阵并初始化；S4、基于T个快拍数据向量、拓展阵列流型矩阵、稀疏支撑向量和噪声功率加权发射信号互相关系数矩阵，计算获得后验均值向量和后验协方差矩阵；S5、根据后验均值向量与后验协方差矩阵，更新稀疏支撑向量；S6、基于压缩换位样本协方差矩阵、拓展阵列流型矩阵、后验均值向量和后验协方差矩阵，更新噪声功率加权发射信号互相关系数矩阵；S7、重复S4-S6，直至迭代终止；根据当前更新后的稀疏支撑向量上的峰值在角度网格集合上所对应的角度，获取波达方向。作为优选的，所述设置一个对空间角度全覆盖的均匀抽样角度网格集合，并基于均匀抽样角度网格集合构造拓展阵列流型矩阵，具体包括：设置一个包含U个角度的均匀密集角度网格集合对空间角度全覆盖；拓展阵列流型矩阵由构造；其中，考虑均匀线型阵列时，是发射天线阵列的导向矢量，dt为发射天线阵列的阵元间距，λ为发射信号波长，(·)T表示矩阵转置，是接收天线阵列的导向矢量，dr为接收天线阵列的阵元间距，是Kronecker积。作为优选的，所述利用T个快拍数据向量计算压缩换位样本协方差矩阵，具体包括：换位样本协方差矩阵其中，(·)H表示矩阵共轭转置，KNM和KMN为交换矩阵，ΙM为M×M维单位阵，ΙN为N×N维单位阵，y(τ),τ＝1,2,...,T为T个快拍数据向量；利用换位样本协方差矩阵Rc计算压缩换位样本协方差矩阵作为优选的，所述构建稀疏支撑向量并初始化，具体包括：构建稀疏支撑向量α；初始化稀疏支撑向量α为α(t)＝ρ·1U,t＝0，其中ρ为一个预设的正数，取值范围为0＜ρ＜1，1U×1表示U×1维全1向量。作为优选的，所述构建噪声功率加权发射信号互相关系数矩阵并初始化，具体包括：构建噪声功率加权发射信号互相关系数矩阵初始化噪声功率加权发射信号互相关系数矩阵为其中，β为一个预设的正数，取值范围为0＜β＜1，ΙM为M×M维单位阵，EM×M为M×M维全1矩阵。作为优选的，所述S4具体包括：后验均值向量其中，为拓展阵列流型矩阵，y(τ),τ＝1,2,...,T为T个快拍数据向量；后验协方差矩阵其中，ΙN为N×N维单位阵，diag(·)表示构造对角阵，为噪声功率加权发射信号互相关系数矩阵，α(t)为稀疏支撑向量。作为优选的，所述S5具体包括：其中，α(t+1)[u]表示α(t+1)的第u个元素。作为优选的，所述S6具体包括：利用拓展阵列流型矩阵后验均值向量μ(t)(τ),τ＝1,2,...,T与后验协方差矩阵Σ(t)计算换位无噪阵列相关矩利用换位无噪阵列相关矩阵Z(t)计算压缩换位无噪阵列相关矩阵对矩阵与作联合对角化，求得其共同的特征向量构成的酉矩阵U(t)和各自的对角特征值矩阵与的更新表达式为其中，为构造的对角矩阵，其第m个对角元素的计算公式为：作为优选的，所述S7中迭代终止条件为：当第t+1次迭代得到的α(t+1)与第t次迭代得到的α(t)之间满足||α(t+1)-α(t)||2/||α(t)||2＜ε或者达到最大预设迭代次数Niter，其中，||·||2为l2范数，ε为预设比例系数，取值范围为0＜ε≤0.1，最大预设迭代次数Niter在10～10000之间取值。本专利技术公开了一种考虑发射波形非理想正交的MIMO雷达目标测向系统，包括：脉冲发射与采集模块，所述脉冲发射与采集模块用于发射天线阵列发射T次脉冲，接收天线阵列获取远场方向未知目标对T次脉冲的回波信号，所述回波信号经匹配滤波构成T个快拍数据向量；矩阵构建模块，所述矩阵构建模块用于设置一个对空间角度全覆盖的均匀抽样角度网格集合，并基于均匀抽样角度网格集合构造拓展阵列流型矩阵，利用T个快拍数据向量计算压缩换本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑发射波形非理想正交的MIMO雷达目标测向方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、发射天线阵列发射T次脉冲，接收天线阵列获取远场方向未知目标对T次脉冲的回波信号，所述回波信号经匹配滤波构成T个快拍数据向量；/nS2、设置一个对空间角度全覆盖的均匀抽样角度网格集合，并基于均匀抽样角度网格集合构造拓展阵列流型矩阵；利用T个快拍数据向量计算压缩换位样本协方差矩阵；/nS3、构建稀疏支撑向量并初始化；构建噪声功率加权发射信号互相关系数矩阵并初始化；/nS4、基于T个快拍数据向量、拓展阵列流型矩阵、稀疏支撑向量和噪声功率加权发射信号互相关系数矩阵，计算获得后验均值向量和后验协方差矩阵；/nS5、根据后验均值向量与后验协方差矩阵，更新稀疏支撑向量；/nS6、基于压缩换位样本协方差矩阵、拓展阵列流型矩阵、后验均值向量和后验协方差矩阵，更新噪声功率加权发射信号互相关系数矩阵；/nS7、重复S4-S6，直至迭代终止；根据当前更新后的稀疏支撑向量上的峰值在角度网格集合上所对应的角度，获取波达方向。/n

【技术特征摘要】
1.一种考虑发射波形非理想正交的MIMO雷达目标测向方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、发射天线阵列发射T次脉冲，接收天线阵列获取远场方向未知目标对T次脉冲的回波信号，所述回波信号经匹配滤波构成T个快拍数据向量；
S2、设置一个对空间角度全覆盖的均匀抽样角度网格集合，并基于均匀抽样角度网格集合构造拓展阵列流型矩阵；利用T个快拍数据向量计算压缩换位样本协方差矩阵；
S3、构建稀疏支撑向量并初始化；构建噪声功率加权发射信号互相关系数矩阵并初始化；
S4、基于T个快拍数据向量、拓展阵列流型矩阵、稀疏支撑向量和噪声功率加权发射信号互相关系数矩阵，计算获得后验均值向量和后验协方差矩阵；
S5、根据后验均值向量与后验协方差矩阵，更新稀疏支撑向量；
S6、基于压缩换位样本协方差矩阵、拓展阵列流型矩阵、后验均值向量和后验协方差矩阵，更新噪声功率加权发射信号互相关系数矩阵；
S7、重复S4-S6，直至迭代终止；根据当前更新后的稀疏支撑向量上的峰值在角度网格集合上所对应的角度，获取波达方向。


2.根据权利要求1所述的考虑发射波形非理想正交的MIMO雷达目标测向方法，其特征在于，所述设置一个对空间角度全覆盖的均匀抽样角度网格集合，并基于均匀抽样角度网格集合构造拓展阵列流型矩阵，具体包括：
设置一个包含U个角度的均匀密集角度网格集合对空间角度全覆盖；
拓展阵列流型矩阵由构造；
其中，考虑均匀线型阵列时，是发射天线阵列的导向矢量，dt为发射天线阵列的阵元间距，λ为发射信号波长，(·)T表示矩阵转置，是接收天线阵列的导向矢量，dr为接收天线阵列的阵元间距，是Kronecker积。


3.根据权利要求1所述的考虑发射波形非理想正交的MIMO雷达目标测向方法，其特征在于，所述利用T个快拍数据向量计算压缩换位样本协方差矩阵，具体包括：
换位样本协方差矩阵
其中，(·)H表示矩阵共轭转置，KNM和KMN为交换矩阵，ΙM为M×M维单位阵，ΙN为N×N维单位阵，y(τ),τ＝1,2,...,T为T个快拍数据向量；
利用换位样本协方差矩阵Rc计算压缩换位样本协方差矩阵


4.根据权利要求1所述的考虑发射波形非理想正交的MIMO雷达目标测向方法，其特征在于，所述构建稀疏支撑向量并初始化，具体包括：
构建稀疏支撑向量α；
初始化稀疏支撑向量α为α(t)＝ρ·1U,t＝0，其中ρ为一个预设的正数，取值范围为0＜ρ＜1，1U×1表示U×1维全1向量。


5.根据权利要求1所述的考虑发射波形非理想正交的MIMO雷达目标测向方法，其特征在于，所述构建噪声功率加权发射信号互相关系数矩阵并初始化，具体包括：
构建噪声功率加权发射信号互相关系数矩阵
初始化噪声功率加权发射信号互相关系数矩阵为其中，β为一个预设的正数，取值范围为0＜β＜1，ΙM为M×M维单位阵，EM×M为M×M维全1矩阵。


6.根据权利要求1所述的考虑发射波形非理想正交的MIMO雷达目标测向...

【专利技术属性】
技术研发人员：李岳洲，林萍，徐重慧，胡南，
申请(专利权)人：苏州迈斯维通信技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32