基于极化子空间正交原理的MIMO雷达多维参数闭式估计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于极化子空间正交原理的MIMO雷达多维参数闭式估计方法，主要解决现有基于极化MIMO雷达的方法收发阵列模型误差下的多维参数估计问题，其实现步骤是基于阵列测量获得收发阵列的水平和垂直极化采样矩阵；基于测量的收发阵列采样矩阵进行极化MIMO雷达的信号模型建模；对接收信号做匹配滤波处理；对匹配滤波处理后信号进行多维参数分离与解耦；将多维参数估计问题降维为波达方向估计问题，并基于匹配滤波处理后接收阵列输出协方差矩阵求解波达方向；求解极化参数的估计。本发明专利技术基于极化子空间正交原理，为在考虑收发阵列模型误差下，基于任意多极化配置的极化MIMO雷达进行多维参数闭式估计提供有效的解决方案，可用于雷达目标探测和定位。可用于雷达目标探测和定位。可用于雷达目标探测和定位。

【技术实现步骤摘要】
基于极化子空间正交原理的MIMO雷达多维参数闭式估计方法


[0001]本专利技术属于信号处理
，尤其涉及面向多极化MIMO雷达的多维参数估计方法，具体是一种基于极化子空间正交原理的MIMO雷达多维参数闭式估计方法，可用于雷达目标探测和定位。

技术介绍

[0002]MIMO雷达可以通过生成虚拟阵列使用较少阵元达到增大阵列孔径的效果，受到了广泛关注。目前大多数研究致力于标量MIMO雷达在波离方向和波达方向估计的应用，相比于传统相控阵雷达在测向时具有更高测角精度。但是，上述现有方法均未考虑信号的极化多样性，而实际应用中普遍存在的极化失配问题将导致参数估计的精度下降。
[0003]考虑到信号的极化多样性，本专利技术提出一种针对发射阵列和接收阵列均为任意多极化阵列的极化MIMO雷达多维参数闭式估计方法。具体而言，本专利技术采用单基地多极化MIMO雷达的发射阵列和接收阵列分别进行信号发射和接收，并采用基于极化子空间正交原理的多项式求根方法对波达方向和极化参数进行闭式联合估计。现有的应用于角度估计的单基地MIMO雷达多采用标量天线，未考虑更贴近实际应用场景的信号极化多样性，会导致极化失配，从而降低角度估计的精度，故本专利技术采用收发多极化天线阵列改善这一问题，有效避免极化失配带来的角度估计精度损失。
[0004]而现有的多极化MIMO雷达多维参数估计方法大多未考虑模型误差，如收发天线阵列可能存在的如增益、相位和位置误差等，上述模型误差限制了其在实际中的应用，亟需探究考虑模型误差下的多极化MIMO雷达的多维参数估计。本专利技术引用极化流形分离技术，采用基于多项式求根的波达方向和极化参数联合估计方法，提出了一种考虑收发天线存在阵列模型误差下基于极化子空间正交原理的多维参数闭式估计方法。本专利技术所提方法利用构造对应于收发阵列重构采样矩阵的虚拟域重构傅里叶基底，通过多项式求根的方法实现波达方向和极化参数的联合闭式估计，具有多维参数自动配对和避免谱峰搜索等优点，且不引起估计模糊。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于针对上述现有多极化MIMO雷达多维参数估计方法大多未考虑模型误差带来的精度损失，提出了一种考虑收发阵列模型误差情况下基于极化子空间正交原理的多维参数闭式估计方法。该方法适用于任意多极化配置的MIMO雷达阵列，具有多维参数自动配对和避免谱峰搜索等优点，且不引起估计模糊。为考虑模型误差情况下的任意多极化MIMO雷达的多维参数闭式估计提供可行的思路和有效的解决方案。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于极化子空间正交原理的MIMO雷达多维参数闭式估计方法，包含以下步骤：
[0007](1)基于阵列测量获得发射阵列和接收阵列的水平极化和垂直极化采样矩阵；考虑具有任意结构的多极化发射天线阵列与多极化接收天线阵列的多极化单站MIMO雷达，其
中发射天线阵元个数为M(不同极化天线发射正交信号)，接收天线阵元个数为L；发射天线和接收天线均任意放置，但不引起估计模糊；经过阵列响应测量，Γ
t,h
和Γ
t,v
分别表示对应于多极化发射天线阵列的水平极化和垂直极化的阵列采样矩阵；Γ
r,h
和Γ
r,v
分别表示对应于多极化接收天线阵列的水平极化和垂直极化的阵列采样矩阵，和分别表示对应于第p个目标的发射信号极化矢量和接收信号极化矢量，其中γ
t,p
和η
t,p
分别表示第p个目标的发射信号极化辅助角和极化相位差，γ
r,p
和η
r,p
分别表示第p个目标的接收信号极化辅助角和极化相位差，[
·
]T
表示转置操作；
[0008](2)基于测量的发射与接收阵列采样矩阵进行多极化MIMO雷达的信号模型建模；对于所考虑的多极化MIMO雷达，假设发射天线发射正交的完全极化信号，待估计目标假定在同一距离单元中；假设第p个目标的波达方向为θ
p
，根据发射天线和接收天线的互易性，发射不同极化天线和接收不同极化天线的导向矢量分别表示为
[0009][0010]和
[0011][0012]式中I2表示二阶单位矩阵，表示(2N+1)
×
1截断的一维傅里叶基底，N表示收发阵列对应的模式数，w
t
和w
r
分别表示由截断和校准噪声带来的发射导向矢量和接收导向矢量的建模误差；需要注意的是，当正确选择模式数时w
t
和w
r
将会足够小；
[0013]则接收多极化天线阵列的接收信号为
[0014][0015]其中时间范围为T0是起始时间，T
k
是第k次脉冲持续时间，K是脉冲个数，P是目标个数，μ
p,k
表示第k次脉冲期间第p个目标的散射系数；u(t)＝[u1(t),u2(t),...,u
M
(t)]T
表示正交传输信号的矢量；e
k
(t)表示加性高斯白噪声矢量；
[0016](3)对接收信号做匹配滤波处理；在经过对应于第m个发射信号的匹配滤波处理后，接收多极化天线阵列的匹配滤波输出表示为
[0017][0018]其中(表示复数)是一个第m个元素为1，其余元素均为0的矢量，n
k,m
表示在第k个脉冲下对应于第m个信号的高斯白噪声；对每个接收阵元输出信号使用对应于M个发射信号的一系列匹配滤波后，接收信号矢量重新表示为
[0019][0020]式中表示对应于P个目标的导向矢量组成的导向矩阵，s
k
＝[μ
1,k
,μ
2,k
…
,μ
P,k
]T
表示发射信号矢量，表示噪声矢量，表示对应于第p个目标的导向矢量；
[0021](4)对匹配滤波处理后的信号进行多维参数分离与解耦；首先，发射和接收天线阵列的导向矢量分别使用极化流形分离技术通过适当的截断并省略建模误差后表示如下
[0022][0023][0024]对匹配滤波处理后信号做多维参数分离与解耦；接收信号矢量x
k
(t)表示为
[0025][0026]式中
[0027][0028]其中表示重构的采样矩阵，(表示有理数)表示选择矩阵，可被表示为J＝blkdiag(J1,J1)，且blkdiag(J1,J1)表示由J1组成的块对角矩阵，J1表示为
[0029]J1[1+2(l
‑
1)(2N+1):2(l
‑
1)(2N+1)+2N+1,l:l+2N]＝I
2N+1
，
[0030]J1[1+2(l
‑
1)(2N+1)+2N+1:2(l
‑
1)(2N+1)+2(2N+1),l+4N+1:l+6N+1]＝I
2N+1
；
[0031]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于极化子空间正交原理的MIMO雷达多维参数闭式估计方法，其特征在于，包含以下步骤：(1)基于阵列测量获得发射阵列和接收阵列的水平极化和垂直极化采样矩阵；考虑具有任意结构的多极化发射天线阵列与多极化接收天线阵列的多极化单站MIMO雷达，其中发射天线阵元个数为M，接收天线阵元个数为L；发射天线和接收天线均任意放置，但不引起估计模糊；经过阵列响应测量，Γ
t,h
和Γ
t,v
分别表示对应于多极化发射天线阵列的水平极化和垂直极化的阵列采样矩阵；Γ
r,h
和Γ
r,v
分别表示对应于多极化接收天线阵列的水平极化和垂直极化的阵列采样矩阵，和分别表示对应于第p个目标的发射信号极化矢量和接收信号极化矢量，其中γ
t,p
和η
t,p
分别表示第p个目标的发射信号极化辅助角和极化相位差，γ
r,p
和η
r,p
分别表示第p个目标的接收信号极化辅助角和极化相位差，[
·
]
T
表示转置操作；(2)基于测量的发射与接收阵列采样矩阵进行多极化MIMO雷达的信号模型建模；对于所考虑的多极化MIMO雷达，假设发射天线发射正交的完全极化信号，待估计目标假定在同一距离单元中；假设第p个目标的波达方向为θ
p
，根据发射天线和接收天线的互易性，发射不同极化天线和接收不同极化天线的导向矢量分别表示为和式中I2表示二阶单位矩阵，表示(2N+1)
×
1截断的一维傅里叶基底，N表示收发阵列对应的模式数，w
t
和w
r
分别表示由截断和校准噪声带来的发射导向矢量和接收导向矢量的建模误差；需要注意的是，当正确选择模式数时w
t
和w
r
将会足够小；则接收多极化天线阵列的接收信号为其中时间范围为T0是起始时间，T
k
是第k次脉冲持续时间，K是脉冲个数，P是目标个数，μ
p,k
表示第k次脉冲期间第p个目标的散射系数；u(t)＝[u1(t),u2(t),
…
,u
M
(t)]
T
表示正交传输信号的矢量；e
k
(t)表示加性高斯白噪声矢量；(3)对接收信号做匹配滤波处理；在经过对应于第m个发射信号的匹配滤波处理后，接收多极化天线阵列的匹配滤波输出表示为其中是一个第m个元素为1，其余元素均为0的矢量，n
k,m
表示在第k个脉冲下对应于第m个信号的高斯白噪声；对每个接收阵元输出信号使用对应于M个发射信号的一系
列匹配滤波后，接收信号矢量重新表示为式中表示对应于P个目标的导向矢量组成的导向矩阵，s
k
＝[μ
1,k
,μ
2,k
…
,μ
P,k
]
T
表示发射信号矢量，表示噪声矢量，表示对应于第p个目标的导向矢量；(4)对匹配滤波处理后的信号进行多维参数分离与解耦；首先，发射和接收天线阵列的导向矢量分别使用极化流形分离技术通过适当的截断并省略建模误差后表示如下导向矢量分别使用极化流形分离技术通过适当的截断并省略建模误差后表示如下对匹配滤波处理后信号做多维参数分离与解耦；接收信号矢量x
k
(t)表示为式中其中表示重构的采样矩阵，表示选择矩阵，且blkdiag(J1,J1)表示由J1组成的块对角矩阵，J1表示为表示为其中其中表示重构的一维傅里叶基底，表示重构的极化矢量；(5)将多维参数估计问题降维为波达方向估计问题，并基于匹配滤波处理后接收阵列输出协方差矩阵求解波达方向；(6)根据步骤(5)中所求的波达方向和Rayleigh
‑
Ritz定理，求解极化参数的估计。2.根据权利要求1所述的基于极化子空间正交原理的MIMO雷达多维参数闭式估计方法，其特征在于，在步骤(4)中重构一维傅里叶基底和极化矢量，实现对多维参数的分离，具体而言：重构的一维傅里叶基底和极化矢量分别表示为
由于对应于接收信号矢量x
k
(t)的导向矢量(t)的导向矢量可表示为且重构的采样矩阵重构的傅里叶基底和重构的极化矢量仅分别与阵列的幅相响应特性、对应于第p个目标的波达方向和对应于第p个目标的发射信号与接收信号极化参数，因而多极化MIMO雷达的导向矢量实现了多维参数的分离。3.根据权利要求1所述的基于极化子空间正交原理的MIMO雷达多维参数闭式估计方法，其特征在于，步骤(5)中进行波达方向估计，采用以下方法：基于极化子空间正交原理的多项式求根方法、基于极化子空间正交原理的一维谱搜索方法。4.根据权利要求1所述的基于极化子空间正交原理的MIMO雷达多维参数闭式估计方法，其特征在于，在步骤(5)中采用基于极化子空间正交原理的多项式求根方法求解P个目标的波达方向估计，具体而言，根据极化子空间正交原理原理，有下述公式成立其中矩阵U
n
是噪声子空间，其列矢量由协方差矩阵...

【专利技术属性】
技术研发人员：悦亚星，李天宇，史治国，苗嘉豪，陈积明，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：