一种距离-速度联合估计方法技术

本发明专利技术公开了一种距离

【技术实现步骤摘要】
一种距离
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速度联合估计方法


[0001]本专利技术属于信号处理技术、雷达接收机以及嵌入式领域，涉及一种距离
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速度联合估计方法，特别是一种基于最小频移键控
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线性调频(Minimum Shift Keying
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Linear Frequency Modulation，MSK
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LFM)的雷达通信共享信号的距离
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速度联合快速估计方法在FPGA上相关模块的实现。

技术介绍

[0002]雷达通信共享信号是采用统一的波形同时实现雷达和通信功能，能够有效的减少设备上搭载设备的数量，是当前研究的热门方向。MSK
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LFM雷达通信共享信号不光保留了MSK调制信号的优点，还有工程简单，系统复杂度低，距离分表率强等优点，是雷达通信共享信号中的研究热点。目前在MSK
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LFM信号参数估计处理的过程中，目前的处理方法存在实时性较差的问题，因此提出一种新的快速处理方法。该方法首先对回波信号进行前向空间平滑解相干运算，然后采用旋转不变信号参数估计技术
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多信号分类联合(Estimating the Signal Parameters via Rotational Invariance Technique
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Multiple Signal Classification Algorithm，ESPRIT
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MUSIC)快速估计算法，先利用ESPRIT算法进行粗估计，再利用MUSIC算法进行精估计，既保证了估计精度，又满足实时性的需求。ESPRIT算法的运算速度更快，但是存在估计性能较差的问题，MUSIC算法的估计性能更好，但是存在运算时间较长的问题，将二者进行结合，能够满足估计精度以及运算时间的两方面需求。
[0003]专利《基于四维天线阵的射频隐身雷达通信一体化系统及方法》(申请号：CN 202011500317.3)主要针对于雷达通信共享信号的隐身性能，没有提及到快速估计的方向；专利《基于FRFT的低信噪比LFM信号参数快速估计方法》(申请号：CN 202110388875.3)主要对LFM信号在低信噪比下进行参数快速估计，但是没有涉及到雷达通信共享信号；专利《一种雷达通信一体化系统中降低峰均功率比的方法》(申请号：CN202110792825.1)主要对于雷达通信一体化信号在发射端对于峰均比过高问题的优化；专利《基于FPGA的LFM脉冲雷达频域脉冲压缩处理方法》(申请号：CN201910581761.3)主要是在FPGA的系统中对于单载波LFM雷达信号的处理进行研究，没有涉及到通信雷达一体化系统。

技术实现思路

[0004]针对上述现有技术，本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于MSK
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LFM雷达通信共享信号的距离
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速度联合快速方法，解决雷达通信共享信号在雷达接收端进行距离速度估计时产生的时间慢等问题。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术的一种距离
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速度联合估计方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1：接收回波信号；
[0007]步骤2：对回波信号进行下变频和模数转换处理，得到信号s
k,i
(n)；
[0008]步骤3：对s
k,i
(n)进行解相干处理，求得前向空间平滑之后的互相关矩阵；
[0009]步骤4：利用ESPRIT算法进行第一次粗估计，通过串口将互相关矩阵送入FPGA内部
FIFO中，根据FIFO中取出数据分别求得信号距离的协方差矩阵和速度的协方差矩阵；
[0010]步骤5：采用基于Cordic的复数Jacobi方法对协方差矩阵进行特征值分解；
[0011]步骤6：采用伴随矩阵法求出逆矩阵；
[0012]步骤7：对逆矩阵进行乘法变换得到辅助矩阵组，利用辅助矩阵组提取出速度矩阵组和距离矩阵组，得到利用ESPRIT算估算的速度
‑
距离范围空间；
[0013]步骤8：根据MUSIC算法进行精测快速估计，在步骤7得到的速度
‑
距离范围空间内按照步骤3的方法构造协方差矩阵；
[0014]步骤9：特征值分解，根据协方差矩阵计算出特征值和特征向量，特征值分解算法采用Jacobi算法；
[0015]步骤10：进行谱峰搜索，根据步骤9得到的特征值和特征向量构造速度和距离矩阵，然后计算伪谱函数，得到MUSIC伪谱函数最小值，即为所需要的速度、距离估计值。
[0016]进一步的，步骤2中对回波信号进行下变频和模数转换处理包括：下变频将雷达回波信号从高频信号搬移到中频信号，假设收到对C个目标进行探测的MSK
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LFM信号的回波信号，其接收到的第i个目标第k个阵元的回波信号完成下变频处理后的信号表达式为：式中：S
i
为第i个目标散射强度，R
i
和V
i
为第i个目标的距离和速度，c为光速，τ
i
为第i个回波分量的幅值与时延，n(t)为噪声，然后对s
k,i
(t)进行模数转换得到信号s
k,i
(n)。
[0017]进一步的，步骤3中对s
k,i
(n)进行解相干处理，求得前向空间平滑之后的互相关矩阵包括：解相干处理采用前向空间平滑处理，将N个雷达接收阵元进行前向空间平滑划分为子阵，每个子阵含有m个阵元，共划分成N+1
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m个子阵，子阵内含有的m个阵元接收到的信号s
k,i
(n)到s
k+m,i
(n)的信号计算协方差矩阵，然后将得到的N+1
‑
m个协方差矩阵进行算数平均法，获得每个子阵的协方差矩阵，利用求得的协方差矩阵求解其互相关矩阵，再利用均匀加权求和求得前向空间平滑之后的互相关矩阵。
[0018]本专利技术的有益效果：与现有技术相比，本专利技术把通信数据调制到LFM信号上，形成了MSK
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LFM雷达通信共享信号，避免了相位不连续，产生频带能量泄露等问题，实现简单，系统复杂度低，大大缩减了实用成本，提高了效率。然后又采用了基于ESPRIT和MUSIC的快速估计算法，在保证估计精度的同时，拥有更好的距离模糊性，降低了运算的复杂度，极大节省了计算时间，满足实时性的需求。仿真结果如图10，图11，图12所示。本专利技术能够解决雷达通信共享信号在雷达接收端进行距离速度估计时产生的时间慢等问题，本专利技术有二点创新之处，第一是采用了雷达通信共享信号，降低了成本，节省了资源，使整体设备小型化，高效化；第二个是在FPGA系统上实现了E
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M(ESPRIT
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MUSIC)快速估计算法，该算法既保证了估计精度，又满足实时性的需求。
附图说明
[0019]图1为该专利技术总流程图；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种距离
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速度联合估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：接收回波信号；步骤2：对回波信号进行下变频和模数转换处理，得到信号s
k,i
(n)；步骤3：对s
k,i
(n)进行解相干处理，求得前向空间平滑之后的互相关矩阵；步骤4：利用ESPRIT算法进行第一次粗估计，通过串口将互相关矩阵送入FPGA内部FIFO中，根据FIFO中取出数据分别求得信号距离的协方差矩阵和速度的协方差矩阵；步骤5：采用基于Cordic的复数Jacobi方法对协方差矩阵进行特征值分解；步骤6：采用伴随矩阵法求出逆矩阵；步骤7：对逆矩阵进行乘法变换得到辅助矩阵组，利用辅助矩阵组提取出速度矩阵组和距离矩阵组，得到利用ESPRIT算估算的速度
‑
距离范围空间；步骤8：根据MUSIC算法进行精测快速估计，在步骤7得到的速度
‑
距离范围空间内按照步骤3的方法构造协方差矩阵；步骤9：特征值分解，根据协方差矩阵计算出特征值和特征向量，特征值分解算法采用Jacobi算法；步骤10：进行谱峰搜索，根据步骤9得到的特征值和特征向量构造速度和距离矩阵，然后计算伪谱函数，得到MUSIC伪谱函数最小值，即为速度、距离估计值。2.根据权利要求1所述的一种距离
‑
速度联合估计方法，其特征在于：步骤2所述对回波信号进行下变频和模数转换处理包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：张文旭，赵小琪，代雪飞，郑雨轩，陈涛，蒋伊琳，刘鲁涛，郭立民，赵忠凯，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：