MIMO雷达的目标到达角估计方法技术

本发明专利技术公开了一种MIMO雷达的目标到达角估计方法，主要解决MIMO雷达对目标定位过程中信号处理运量大的问题，其实现过程是：1)将每个接收天线的回波通过一个匹配滤波器组，得到虚拟阵列；2)根据发射、接收阵列的位置构造数据转换矩阵和降维矩阵；3)利用降维矩阵对虚拟阵列数据进行降维处理，得到降维后的有效阵列；4)利用有效阵列的旋转不变性构造两个子阵，并求数据的协方差矩阵；5)对协方差矩阵进行特征值分解求得两子阵对应信号子空间；6)利用最小二乘法求解旋转不变关系矩阵，得到目标的到达角。本发明专利技术构造的降维矩阵形式具有通用性，通过对数据的降维和ESPRIT算法来降低运算量，提高MIMO雷达的计算速度，使MIMO雷达的实时信号处理更加容易。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于雷达
，涉及雷达的到达角估计，具体的说是一种基于降维 ESPRIT算法的MIMO雷达目标到达角估计方法，可用于目标定位与跟踪。
技术介绍
为克服传统雷达目标散射截面积RCS闪烁等的影响，借鉴多出入多输出MIMO通信系统，2003年Fishier Eran等人提出了 MIMO雷达的概念，由于它在目标检测、参数估计等方面的优势，得到了各国学者的广泛关注。目前研究的MIMO雷达系统大体可分为两大类， 一类是分布式MIMO雷达，以美国新泽西研究所的Fishier Eran和美国伯利恒Lehigh大学的Blum Rick等为代表。这类MIMO雷达的发射天线间隔很宽，使得目标对于每个发射天线呈现出相对独立的反射特性，也就是从不同侧面观测目标，进而使得不同发射天线发射的信号经目标反射后的回波信号是不相关的，这样可以有效的对抗空间扩展目标的RCS闪烁，从而提高雷达的检测与参数估计性能。另外它还可以利用来自多个方向的多普勒估计来处理慢速运动目标和实现高分辨目标定位等。另一类是集中式MIMO雷达，也称为相干MIMO雷达。研究者主要以美国Florida 大学的Li Jian和瑞典Uppsala大学的Moica Petre为代表，其发射和接收阵列与传统阵列类似，天线阵元间距较小，可获得更高的分辨率和更好的参数估计性能，对慢速运动目标具有更高的检测灵敏度，并可直接应用自适应阵列技术。另外MIMO雷达系统的波形优化也呈现出独特的特点，可获得灵活的发射波束方向图设计。对于发射阵列和接受阵列均为线阵的相干MIMO雷达，具有更高的自由度、更高的分辨率和更好的参数估计性能等优势，但同时它也大大增加了系统计算的复杂度。如对于一个M发N收的MIMO雷达系统来说，经过信号预处理后形成的等效虚拟阵列的阵元数为 MN，是传统相控阵雷达的M倍，其计算量也就大大增加。因此如何降低其计算量就成为MIMO 雷达推向实用的一个重要研究课题。目前已有的技术主要有以下几种张娟在Electronics Letters期刊的2010年第46卷第7期的531页至533页提出了一种信号子空间重构SSR算法，该方法首先利用部分数据获得发射、接收协方差矩阵， 提取信号矢量，然后利用kronecker积来构造总的协方差矩阵，从而减小计算复杂度。张小飞在Electronics Letters期刊的2010年第46卷第12期的860页至861 页提出了一种降维Capon方法来估计双基地ΜΙΜΟ雷达的发射角和接收角，这种方法是通过限制条件= 1使得每次处理时只是利用了部分阵元的数据。赵永波和谢荣针对MIMO的许多虚拟阵元位置都是重叠的这一特点，对收发均为均线线阵的情况，构造了降维矩阵，再分别采用多重信号分类MUSIC算法和多项式求根算法来估计D0A，在电气和电子工程师学会的会议上提出。但是上述方法都是针对收发均为均勻线阵的MIMO雷达，且上述方法虽在一定程度上降低了运算量，但是其运算量依然不可接受。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种MIMO雷达的目标到达角估计方法，以实现发射或接受为非均勻线阵的MIMO雷达对目标DOA的估计，并进一步降低运算量，以提高MIMO雷达DOA估计的计算速度。为实现上述目的，本专利技术的技术思路是限定发射、接收阵列中的一个为均勻线阵，另外一个为随机阵列，且任意两相邻阵元间的间距不大于均勻线阵的孔径；根据阵元位置构造通用的数据转换矩阵和降维矩阵，使降维后的阵列数据具有旋转不变性；最后再利用最小二乘信号子空间旋转不变LS-ESPRIT算法求得目标的D0A。具体实现步骤包括如下1)将每个接收天线的回波信号通过一个匹配滤波器组，分离出对应各个发射通道的信号，得到一个阵元数为MN的虚拟阵列的接收数据X(t)，其中M、N分别为发射、接收阵元数；2)根据发射、接收阵列的位置，构造数据转换矩阵E和降维矩阵Q本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种ＭＩＭＯ雷达的目标到达角估计方法，包括如下过程：１）将每个接收天线的回波信号通过一个匹配滤波器组，分离出对应各个发射通道的信号，得到一个阵元数为ＭＮ的虚拟阵列的接收数据Ｘ（ｔ），其中Ｍ、Ｎ分别为发射、接收阵元数；２）根据发射、接收阵列的位置，构造数据转换矩阵Ｅ和降维矩阵Ｑ：（ｍａｔｈ）??（ｍｒｏｗ）?（ｍｉ）Ｅ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）［（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）ｅ（／ｍｉ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）ｕ（／ｍｉ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｏ），（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）ｅ（／ｍｉ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）ｕ（／ｍｉ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｏ），（／ｍｏ）?（ｍｉ）Ｌ（／ｍｉ）?（ｍｏ），（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）ｅ（／ｍｉ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）ｕ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ＭＮ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｏ）］（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｉ）ＭＮ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＆ｔｉｍｅｓ；（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）Ｎ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｅ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｉ）Ｔ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍａｔｈ）Ｑ＝Ｅ（ＥＨＥ）－１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　２）其中，Ｎｅ表示ＭＩＭＯ雷达虚拟阵列的有效的阵元数，表示第ｕｋ个元素为１的Ｎｅ×１维的单位向量，ｕｋ＝ｕＲ，ｎ＋ｕＴ，ｍ－１，ｍ＝１，２，Ｌ，Ｍ，ｎ＝１，２，Ｌ，Ｎ，ｋ＝１，２，Ｌ，ＭＮ，ｕＴ，ｍ和ｕＲ，ｎ分别表示第ｍ个发射天线和第ｎ个接收天线的位置坐标，Ｔ，Ｈ分别表示矩阵转置和共轭转置；３）利用降维矩阵Ｑ对虚拟阵列数据Ｘ（ｔ）进行降维处理，得到降维后的有效阵列和数据矩阵：（ｍａｔｈ）??（ｍｒｏｗ）?（ｍｏｖｅｒ）?（ｍｉ）Ｘ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＆ＯｖｅｒＢａｒ；（／ｍｏ）?（／ｍｏｖｅｒ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｉ）ｔ（／ｍｉ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｓｕｐ）?（ｍｉ）Ｑ（／ｍｉ）?（ｍｉ）Ｈ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｐ）?（ｍｉ）Ｘ（／ｍｉ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｉ）ｔ（／ｍｉ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）；（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍａｔｈ）４）计算有效阵列数据的协方差矩阵：由有效阵列的前Ｎｅ－１个阵元和后Ｎｅ－１个阵元构成两个子阵；５）对协方差矩阵Ｒ进行特征值分解求得信号子空间Ｕｓ，并求得两子阵对应信号子空间Ｕｓ１和Ｕｓ２，两者满足旋转不变关系：Ｕｓ２＝Ｕｓ１Ψ，其中Ψ为需要求解的旋转不变关系矩阵；６）利用最小二乘法求解，然后对Ψ进行特征分解，由Ｐ个特征值获得对应的Ｐ个信号的ＤＯＡ，其中，Ｐ为同一距离单内的目标个数，ｋ＝１，Ｌ，Ｐ。...

【技术特征摘要】
1.一种MIMO雷达的目标到达角估计方法，包括如下过程1)将每个接收天线的回波信号通过一个匹配滤波器组，分离出对应各个发射通道的信 号，得到一个阵元数为MN的虚拟阵列的接收数据X(t)，其中M、N分别为发射、接收阵元数；2)根据发射、接收阵列的位置，构造数据转换矩阵E和降维矩阵Q2.根据权利要求1所述的MIMO雷达的目标到达角估计方法，其中步骤3)所述的利用 降维矩阵Q对虚拟阵列数据X(t)进行降维处理，按如下步骤进行·3....

【专利技术属性】
技术研发人员：杨明磊，陈伯孝，郑桂妹，朱伟，党晓方，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：87