一种针对MIMO雷达的目标距离-方向信息计算方法技术

本发明专利技术公开了一种针对MIMO雷达的目标距离

【技术实现步骤摘要】
一种针对MIMO雷达的目标距离
‑
方向信息计算方法


[0001]本专利技术属于信息传输与处理
，涉及多输入多输出(MIMO)雷达技术，具体涉及一种针对MIMO雷达的目标距离
‑
方向信息计算方法。

技术介绍

[0002]MIMO技术首先在通信领域中得到了广泛应用。通过在发送端和接收端放置多个天线进行发送和接收，实现空间分集和空间复用，提高了信道容量和信道传输可靠性。受该技术启发，后来相关学者提出MIMO雷达的概念。该雷达同时发射不相关或正交的信号，在发射端和接收端之间产生多个相互独立的通道。根据天线位置和信号处理方式，MIMO可以分为两类：分布式和集中式。其中集中式MIMO雷达的阵列结构类似于普通相控阵雷达。其阵元间间距较小，发射端发送相互正交的信号，再通过多个阵元接收回波信号，发射方向图在接收端形成。通过对回波信号的观测，可以得到目标的信息，如目标的距离、到达方向(DOA)、散射特性等。
[0003]从信息论的观点来看，互信息可以解释为物体的先验不确定性的减少。这表明也可以将互信息应用到雷达领域来评估系统的性能。将信息论的思想和方法运用于雷达探测系统，国内外已经进行了相关探索。在香农信息论创立不久，Woodward和Davies就展开了对雷达探测系统中目标的距离互信息问题的研究。他们采用逆概率原理，得到了单个恒模散射目标的距离互信息与时带积、信噪比的近似关系。后续相关学者还研究了利用信息论，推导出相控阵雷达的距离
‑
方向信息及其闭合表达式。目前还没有关于将信息论应用于MIMO雷达系统进行距离
‑
方向信息量的理论分析研究。因此，在原有理论基础上，研究MIMO雷达的空间信息量计算方法具有重要意义。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种针对MIMO雷达的目标距离
‑
方向信息计算方法，将MIMO雷达中的空间信息定义为距离、DOA、散射特性与接收信号之间的互信息，信息内容包括距离信息和方向信息两种，推导得出了目标的距离
‑
方向信息的理论公式，为系统设计人员提供了理论指导。
[0005]技术方案：为实现上述目的，本专利技术提供一种针对MIMO雷达的目标距离
‑
方向信息计算方法，包括如下步骤：
[0006]S1：通过建立好的MIMO雷达的探测系统模型，获取到单程时延；
[0007]S2：根据单程时延，获取到某个阵元的接收信号；
[0008]S3：将接收信号进行下变频、采样和归一化处理，根据窄带假设，求出总的归一化时延，得到离散形式的接收信号；
[0009]S4：根据离散形式的接收信号，将雷达发射正交信号采用离散形式表达，将多个阵元的接收信号写为矩阵形式；
[0010]S5：根据噪声概率密度函数和矩阵形式的接收信号，得到接收信号和距离、方向之
间的联合概率密度函数；
[0011]S6：根据联合概率密度函数推导出距离和方向的后验概率密度函数；
[0012]S7：基于信息论中互信息的定义，通过后验概率密度函数得到目标的距离
‑
方向互信息。
[0013]进一步地，所述步骤S1中MIMO雷达的探测系统模型的建立方法为：
[0014]采用极坐标系建立MIMO雷达的探测系统模型，以第一根天线为原点，目标到参考原点的距离为r
p
，与极坐标法线的夹角为θ；
[0015]目标离阵元的距离为
[0016][0017]其中：r
p
为目标到阵元的距离，d为阵元间的距离，m为发射天线序列号，θ为距离与波达方向。
[0018]进一步地，所述步骤S1中单程时延的获取方法为：
[0019]将每个阵列到目标的距离进行近似，得到相应的单程时延：
[0020][0021]其中c代表电磁波的传播速度。
[0022]进一步地，所述步骤S2中接收信号的表达式为：
[0023][0024]其中：m表示发射阵元的序列号，q表示接收阵元的序列号，α为目标复散射系数的幅度，为初始相位，f
c
为载波频率，τ(r
p
，θ，m，q)表示双程时间延迟，w
q
(t)表示均值为0、带宽为B/2的加性复高斯白噪声。
[0025]进一步地，所述步骤S3中总的归一化时延为：
[0026][0027]式中：K＝B/f
c
，代表信号带宽与载波频率之比；
[0028]窄带对发射信号的影响为：
[0029]ψ
m
(n
‑
τ
mq
)≈ψ
m
(n
‑
Kr)
[0030]最终离散接收信号为：
[0031][0032]进一步地，所述步骤S4中雷达发射正交信号的离散形式表达为：
[0033]发射多载波信号的时域表达式为：
[0034][0035]式中：k代表子载波的序号，a
mk
表示第m个阵元的第k个子载波所携带的Chu序列值，N代表采样点数；
[0036]离散形式ψ
m
(n
‑
Kr)为：
[0037][0038]进一步地，所述步骤S4中接收信号的矩阵形式为：
[0039][0040]其中：为关于角度θ的发送导向矢量；S(r)是一个关于归一化距离r的矩阵，表示延时的基带信号；为关于角度θ的发送导向矢量，W表示噪声矩阵。
[0041]进一步地，所述步骤S5中噪声的概率密度函数为：
[0042][0043]联合概率密度函数为：
[0044][0045]进一步地，所述步骤S6中后验概率密度函数为：
[0046][0047]进一步地，所述步骤S7中目标的距离
‑
方向互信息为：
[0048]I(ZR，Θ)＝log2DΩ+E
z
[∫∫p(r，θ|z)log2p(r，θ|z)drdθ][0049]有益效果：本专利技术与现有技术相比，在香农信息论中，互信息被用来量化降低传输信息的先验不确定性。本专利技术将MIMO雷达中的空间信息定义为距离、到达方向、散射特性与接收信号之间的互信息。利用概率分布函数，贝叶斯准则等性质并采用Zadoff
‑
Chu序列产生正交信号，推导出了MIMO雷达的距离
‑
方向信息的理论公式。该公式对于MIMO雷达所能获取的信息量有了具体的计算公式和衡量标准。信息变化的规律反映了雷达系统的信息获取效率，为系统设计人员提供了指导。
附图说明
[0050]图1为本专利技术方法的流程图；
[0051]图2为本专利技术中MIMO雷达极坐标系统模型图；
[0052]图3为MIMO雷达的后验概率密度函数仿真结果图；
[0053]图4为天线数不同时，MIM本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种针对MIMO雷达的目标距离
‑
方向信息计算方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：通过建立好的MIMO雷达的探测系统模型，获取到单程时延；S2：根据单程时延，获取到某个阵元的接收信号；S3：将接收信号进行下变频、采样和归一化处理，根据窄带假设，求出总的归一化时延，得到离散形式的接收信号；S4：根据离散形式的接收信号，将雷达发射正交信号采用离散形式表达，将多个阵元的接收信号写为矩阵形式；S5：根据噪声概率密度函数和矩阵形式的接收信号，得到接收信号和距离、方向之间的联合概率密度函数；S6：根据联合概率密度函数推导出距离和方向的后验概率密度函数；S7：基于信息论中互信息的定义，通过后验概率密度函数得到目标的距离
‑
方向互信息。2.根据权利要求1所述的一种针对MIMO雷达的目标距离
‑
方向信息计算方法，其特征在于，所述步骤S1中MIMO雷达的探测系统模型的建立方法为：采用极坐标系建立MIMO雷达的探测系统模型，以第一根天线为原点，目标到参考原点的距离为r
p
，与极坐标法线的夹角为θ；目标离阵元的距离为其中：r
p
为目标到阵元的距离，d为阵元间的距离，m为发射天线序列号，θ为距离与波达方向。3.根据权利要求2所述的一种针对MIMO雷达的目标距离
‑
方向信息计算方法，其特征在于，所述步骤S1中单程时延的获取方法为：将每个阵列到目标的距离进行近似，得到相应的单程时延：其中，c代表电磁波的传播速度。4.根据权利要求1所述的一种针对MIMO雷达的目标距离
‑
方向信息计算方法，其特征在于，所述步骤S2中接收信号的表达式为：其中：m表示发射阵元的序列号，q表示接收阵元的序列号，α为目标复散射系数的幅度，为初始相位，f
c
为载波频率，τ(r
p
，θ，m，q)表示双程时间延迟，w
q
(t)表示均值为0、带宽为B/2的加性复高斯白噪声。5.根据权利要求4所述的一种针对MIMO雷达的目标距离
‑
方向信息计算方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：将接收信号下变频到基带，得到
并以奈奎斯特采样速率B对信号进行采样，得到采用奈奎斯特采样率对时延进行归一化处理，即令τ
mq
＝Bτ(r
p
，θ，m，q)，归一化时延被分成两部分，分别为发射传播时延τ
m
和接收传播时延τ
q
，得到τ
mq
＝τ
m
+τ
q
将归一化极径r＝r
p
/d和d＝λ/2代入，得到发射传播时延为式中：K＝B/f
c
，代表信号带宽与载波频率之比；总的归一化时延为：窄带对发射信号的影响为：ψ
m
(n
‑
τ
mq
)≈ψ
m
(n
‑<...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵曼曼，徐大专，刘甜，掌德森，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：