一种基于长基线发射阵列FDA-MIMO雷达的参数估计方法技术

一种基于长基线发射阵列FDA

A parameter estimation method for fda-mimo radar based on long baseline transmitting array

【技术实现步骤摘要】
一种基于长基线发射阵列FDA
‑
MIMO雷达的参数估计方法


[0001]本专利技术涉及雷达目标定位
，具体为一种基于长基线发射阵列FDA
‑
MIMO雷达的参数估计方法。

技术介绍

[0002]与传统雷达参数估计相比，多输入多输出(MIMO)雷达具有提高雷达系统自由度、增强目标探测能力和抗干扰能力等优点，近年来受到广泛关注。然而，低分辨率雷达受频谱拥挤环境的影响，存在带宽小与测距精度要求高的矛盾。频控阵(FDA)技术的出现，以及FDA与MIMO雷达的结合(称为FDA
‑
MIMO雷达)，使得解决这一问题成为可能。FDA
‑
MIMO雷达能够实现距离超分辨，区分同一角度上不同距离的两个目标，在近年来备受关注。虽然FDA
‑
MIMO雷达的角度分辨率优于传统MIMO雷达，但FDA
‑
MIMO雷达的测角精度低于传统MIMO雷达。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是：针对现有技术中雷达的测角精度低的问题，提出一种基于长基线发射阵列FDA
‑
MIMO雷达的参数估计方法。
[0004]本专利技术为了解决上述技术问题采取的技术方案是：
[0005]一种基于长基线发射阵列FDA
‑
MIMO雷达的参数估计方法，所述方法基于长基线发射阵列FDA
‑
MIMO雷达阵列模型实现，所述长基线发射阵列FDA
‑
MIMO雷达阵列模型包括接收阵列和发射阵列；
[0006]接收阵列包括N个天线，天线间距为d＝λ2，λ为发射信号波长；
[0007]发射阵列包括4个天线，天线间距分别为0、Nd、D、D+Nd，D为基线长度，D＞＞λ每根天线发射频率与载频的频偏分别为0、Δf、Δf1和Δf+Δf1，Δf为第二根天线与第一根天线的频差，Δf1为第三根天线与第一根天线的频差；
[0008]所述方法包括以下步骤：
[0009]步骤一：发射阵列发射FDA
‑
MIMO信号，接收阵列接收L个周期的回波信号，并将L个周期的回波信号进行混频、滤波、MIMO正交处理、AD采样后得到接收信号，并将接收信号转换为4N行L列的矩阵y；
[0010]步骤二：利用矩阵y构造协方差矩阵并对协方差矩阵进行特征分解，然后设置特征值阈值，并将特征值大于阈值的K个特征值对应的特征向量构成信号子空间矩阵U
S
；
[0011]步骤三：根据信号子空间矩阵U
S
，并利用MR
‑
ESPRIT算法得到三种旋转不变子空间关系；
[0012]步骤四：利用三种旋转不变子空间关系进行角度距离联合解模糊，得到模糊数的估计；
[0013]步骤五：根据模糊数的估计得到角度和距离的参数估计。
[0014]进一步的，所述协方差矩阵表示为：
[0015][0016]其中，(
·
)
H
为向量的共轭转置。
[0017]进一步的，所述步骤二中K通过盖式圆盘法得到。
[0018]进一步的，所述步骤三的具体步骤为：
[0019]步骤三一：根据天线数量得到六个矩阵，六个矩阵分别为：
[0020]J3＝[I
2N
,0
2N
]、J4＝[0
2N
,I
2N
]、以及
[0021]其中，为克罗内克积，I
N
为维度为N的单位阵，0
N
为维度为N的零矩阵，是一个M行1列的向量，第m个元素等于1，其余元素等于0；
[0022]步骤三二：根据六个矩阵得到最小二乘解，并对最小二乘解进行特征分解，得到三组特征值α＝[α1,
…
,α
K
]T
，β＝[β1,
…
,β
K
]T
和γ＝[γ1,
…
,γ
K
]T
，即三种旋转不变子空间关系；
[0023]最小二乘解表示为：
[0024]进一步的，所述步骤四中模糊数的估计表示为：
[0025][0026][0027]其中，为β
k
的模糊数的估计，β
k
为β中的第k个元素，为γ
k
的模糊数的估计，γ
k
为γ中的第k个元素，为使括号内表达式取最小值时l
β,k
的取值，代表使括号内表达式取最小值时l
γ,k
的取值，r
min
为待搜索距离门的距离最小值，Δr为距离门宽度，l
β,k
和l
γ,k
是整数，为模糊数搜索变量，l
β,k
和l
γ,k
的取值范围如下：
[0028][0029][0030]其中，arg{
·
}为取相位操作符，c为光速，α
k
为α中的第k个元素。
[0031]进一步的，所述角度和距离的参数估计表示为：
[0032][0033]其中，max{Δf,Δf1}＜c/2Δr，Δr为距离门宽度，为角度的估计，为距离的估计。
[0034]进一步的，所述FDA
‑
MIMO信号采用时分复用MIMO。
[0035]进一步的，所述N为10。
[0036]进一步的，所述L为25。
[0037]进一步的，所述D＝50λ。
[0038]本专利技术的有益效果是：
[0039]本申请可以极大地提升角度估计精度。假设米波雷达的载频为f0＝150MHz，波长为λ＝2m，假设发射信号的距离分辨率为Δr＝200m。接收阵列的阵元数N＝10，阵元间距为d＝λ2＝1m。发射阵列共有M＝4个天线，摆放方式如图1所示。快拍数为L＝25，并假设Δf＝6kHz，Δf1＝1kHz。假设在距离门r
min
≤r≤r
min
+Δr内存在K＝2个目标，其中r
min
＝30km，目标1和目标2与雷达的距离分别为r1＝30.05km和r2＝30.15km，角度分别为θ1＝5
°
和θ2＝15
°
。
[0040]为了尽可能保证对比的合理性，传统MIMO雷达和FDA
‑
MIMO雷达的发射阵列均设置为D＝2Nd，本申请长基线发射阵列FDA
‑
MIMO雷达与稀疏子阵雷达的基线长度均设置为D＝50λ＝100m。每个信噪比下进行1000次蒙特卡洛实验，结果如图3和图4所示。
[0041]首先，根据CRB的结果可见，虽然FDA
‑
MIMO和长基线发射阵列FDA
‑
MIMO雷达的测角精度都分别小于传统MIMO与稀疏子阵雷达，但本专利技术模型的克拉美本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于长基线发射阵列FDA
‑
MIMO雷达的参数估计方法，其特征在于所述方法基于长基线发射阵列FDA
‑
MIMO雷达阵列模型实现，所述长基线发射阵列FDA
‑
MIMO雷达阵列模型包括接收阵列和发射阵列；接收阵列包括N个天线，天线间距为d＝λ/2，λ为发射信号波长；发射阵列包括4个天线，天线间距分别为0、Nd、D、D+Nd，D为基线长度，D＞＞λ每根天线发射频率与载频的频偏分别为0、Δf、Δf1和Δf+Δf1，Δf为第二根天线与第一根天线的频差，Δf1为第三根天线与第一根天线的频差；所述方法包括以下步骤：步骤一：发射阵列发射FDA
‑
MIMO信号，接收阵列接收L个周期的回波信号，并将L个周期的回波信号进行混频、滤波、MIMO正交处理、AD采样后得到接收信号，并将接收信号转换为4N行L列的矩阵y；步骤二：利用矩阵y构造协方差矩阵并对协方差矩阵进行特征分解，然后设置特征值阈值，并将特征值大于阈值的K个特征值对应的特征向量构成信号子空间矩阵U
S
；步骤三：根据信号子空间矩阵U
S
，并利用MR
‑
ESPRIT算法得到三种旋转不变子空间关系；步骤四：利用三种旋转不变子空间关系进行角度距离联合解模糊，得到模糊数的估计；步骤五：根据模糊数的估计得到角度和距离的参数估计。2.根据权利要求1所述的一种基于长基线发射阵列FDA
‑
MIMO雷达的参数估计方法，其特征在于所述协方差矩阵表示为：其中，(
·
)
H
为向量的共轭转置。3.根据权利要求1所述的一种基于长基线发射阵列FDA
‑
MIMO雷达的参数估计方法，其特征在于所述步骤二中K通过盖式圆盘法得到。4.根据权利要求1所述的一种基于长基线发射阵列FDA
‑
MIMO雷达的参数估计方法，其特征在于所述步骤三的具体步骤为：步骤三一：根据天线数量得到六个矩阵，六个矩阵分别为：J3＝[I
2N
,0
2N
]、J4＝[0
2N
,I
2N
]、以及其中，为克罗内克积，I
N
为维度为N的单位阵，0
N
为维度为N的零矩阵，是一个M行1列的向量，第m个元素等于1，其余元素等于0；步骤三二：根据六个矩阵得到最小二乘...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓维波，胡衍墨，吴小川，杨昌群，董英凝，张鑫，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学中仪知联苏州工业自动化有限公司，
类型：发明
国别省市：