專利名稱：多輸入多輸出雷達(dá)系統(tǒng)目標(biāo)定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及多輸入多輸出雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用，具體地 說(shuō)是一種多輸入多輸出雷達(dá)系統(tǒng)的目標(biāo)定位方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)前隱形飛機(jī)的出現(xiàn)使得傳統(tǒng)的單發(fā)單收雷達(dá)受到了很大的挑戰(zhàn)。由于隱形飛 機(jī)外形設(shè)計(jì)使得將照射其上的電磁波大部分反射到其他方向上，因此一種多輸入 多輸出MIMO雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。區(qū)別于傳統(tǒng)的相控陣?yán)走_(dá) 發(fā)射的相干波形，MIMO雷達(dá)發(fā)射正交或相關(guān)波形。在MIMO接收機(jī)中，使用一組匹 配濾波器提取正交波形分量。目前有兩種MIMO雷達(dá)。 一類(lèi)是統(tǒng)計(jì)MIMO雷達(dá)，各 個(gè)天線彼此遠(yuǎn)離，獲得目標(biāo)不同角度的回波，以獲取空間分集增益，減少信號(hào)衰 落。另一種是共置MIM0，即發(fā)射天線相距較近。目標(biāo)的雷達(dá)橫截面積對(duì)所有的發(fā) 射天線都近似相同，可以得到更大的陣列虛擬孔徑，提高系統(tǒng)的自由度。
在定位方面，無(wú)線通信領(lǐng)域研究較多。目標(biāo)定位通常采用傳播時(shí)間、到達(dá)時(shí)間 差TD0A和到達(dá)方向角A0A的混合算法。但在MIM0雷達(dá)目標(biāo)定位中，A0A不需要雷 達(dá)間的時(shí)間同步，可以節(jié)省成本，能在移動(dòng)中快速組網(wǎng)，提高雷達(dá)戰(zhàn)場(chǎng)的生存能 力。同時(shí)隨著陣列信號(hào)處理技術(shù)的成熟，D0A的估計(jì)精度越來(lái)越高，因此基于A0A 定位重新得到重視。其基本原理是通過(guò)多部雷達(dá)同時(shí)對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行測(cè)向，各個(gè) 交叉線的交叉點(diǎn)就是目標(biāo)的位置。在A0A定位方法中，基于最小二乘算法使用最 多，但定位精度卻不高。其原因是方向估計(jì)因陣列流形等原因存在誤差，導(dǎo)致 系數(shù)矩陣不精確，而最小二乘算法建立在系數(shù)矩陣精確已知的基礎(chǔ)上，因此從統(tǒng) 計(jì)觀點(diǎn)看最小二乘法不再是最優(yōu)的，它將是有偏的，而且偏差的協(xié)方差將由于系數(shù) 矩陣的誤差的作用而增加。雖然總體最小二乘僅在系數(shù)誤差矩陣具有不相關(guān)性， 且具有相同方差的條件下非常有效，但在目標(biāo)定位中，這一條件不存在，因而不
能精確地對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行定位。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，提高一種多輸入多輸出雷達(dá)系統(tǒng)
目標(biāo)定位方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)空中目標(biāo)的精確定位。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的目標(biāo)定位方法包括如下步驟
1) M個(gè)發(fā)射機(jī)發(fā)射正交的線性調(diào)頻信號(hào)，N個(gè)接收機(jī)相互遠(yuǎn)離，并接收該線 性調(diào)頻信號(hào)，M〉3,N〉3;
2) 每個(gè)接收機(jī)的匹配濾波器將接收到的線性調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行波形匹配；
3) 計(jì)算每個(gè)接收機(jī)的匹配濾波器輸出信號(hào)功率，并確定最大信噪比的線性 調(diào)頻信號(hào)；
4) 利用MUSIC方法對(duì)最大信噪比的線性調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行高分辨方向估計(jì)，得 到方向《，z:l,…,W;
5) 根據(jù)高分辨方向估計(jì)《，采用約束總體最小二乘法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位，得 到目標(biāo)的二維位置坐標(biāo)(x，y)。
本發(fā)明由于考慮了方向估計(jì)誤差，采用約束總體最小二乘法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位， 能夠做到無(wú)偏估計(jì)，提高了目標(biāo)定位精度；同時(shí)由于采用多個(gè)發(fā)射機(jī)發(fā)射線性調(diào) 頻信號(hào)，因而能抗目標(biāo)衰落，增強(qiáng)了對(duì)隱身目標(biāo)的檢測(cè)和定位能力。


圖1是本發(fā)明目標(biāo)定位的流程圖2是本發(fā)明的仿真內(nèi)容示意圖3是本發(fā)明的仿真結(jié)果曲線圖。
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)Dl，本發(fā)明的目標(biāo)探測(cè)按如下步驟進(jìn)行-
步驟l:發(fā)射調(diào)頻信號(hào)并接收目標(biāo)回波信號(hào)。
M個(gè)發(fā)射機(jī)發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)<formula>formula see original document page 5</formula> ，其中t為時(shí)間變量，這M個(gè)信號(hào) 相互正交。f,(t)經(jīng)過(guò)目標(biāo)反射后，被第j個(gè)接收機(jī)接收到，用 f;(t)表示，其中， 是與目標(biāo)反射和路徑損耗有關(guān)的量,j^,…,N。當(dāng)M個(gè)發(fā)射信號(hào)反射后，第j個(gè)
接收機(jī)接收到的信號(hào)為<formula>formula see original document page 5</formula>，其中rij表示干擾和噪聲。
步驟2:回波信號(hào)的匹配處理。
在第j個(gè)接收機(jī)內(nèi)對(duì)目標(biāo)回波采用M個(gè)匹配濾波器進(jìn)行波形匹配，輸出信號(hào)
為
其中f;(t)為第i個(gè)匹配濾波器的匹配信號(hào)。
步驟3:選擇最大信噪比的線性調(diào)頻信號(hào)。
對(duì)第i個(gè)匹配濾波器的輸出信號(hào)yij(t)，搜索其峰值，即Pi， i:l，…，M;選擇這
M個(gè)峰值中最大者，其對(duì)應(yīng)的線性調(diào)頻信號(hào)為第j個(gè)接收機(jī)接收的最大信噪比信號(hào)， 用fkj(t)表示，k表示序號(hào)。
步驟4:目標(biāo)回波的方向估計(jì)。
采用MUSIC方法估計(jì)出最大信噪比信號(hào)fkj(t)的方向《，其處理過(guò)程如下 (4a)將fkj(t)時(shí)間離散化為fkj 44j(l),fkj(2),…f^(L)]，每個(gè)接收機(jī)有P個(gè)陣元
構(gòu)成的陣列天線，則第P個(gè)陣元接收到的離散信號(hào)矢量為fj =[fkjl,"',fkjP，"',fkjP]T ， 其中T表示轉(zhuǎn)置；
(4b)由公式Cj = fjf計(jì)算最大信噪比信號(hào)fj的協(xié)方差矩陣Cj，并對(duì)該矩陣進(jìn)
角度即為目標(biāo)回波信號(hào)的到達(dá)方向，其中，a(《)為第j個(gè)接收機(jī)陣列天線的導(dǎo)向 矢量。
步驟5:采用約束總體最小二乘算法得到目標(biāo)位置坐標(biāo)，其過(guò)程如下
(5a)根據(jù)得到的目標(biāo)回波信號(hào)到達(dá)方向構(gòu)成參數(shù)矩陣為
(4c)搜索MUSIC譜R(《)二
峰值，確定該峰值對(duì)應(yīng)的角度《，該
式中(Xj,yj)為第j個(gè)接收機(jī)位置坐標(biāo)，j=l,'"，N;
(5b)構(gòu)造權(quán)矩陣為:
<formula>formula see original document page 7</formula>
式中，<formula>formula see original document page 7</formula>，
INxN表示NxN單位陣，diag()表示形成單位對(duì)角陣;
(5c)根據(jù)式(1)和式(2)求解下式，得到目標(biāo)位置坐標(biāo)X= (x， y) t。
<formula>formula see original document page 7</formula>
式中T為矩陣轉(zhuǎn)置，H為矩陣共扼轉(zhuǎn)置。
本發(fā)明的效果可通過(guò)以下仿真說(shuō)明
1、 仿真條件與內(nèi)容
如圖2所示，目標(biāo)l的位置坐標(biāo)為(50， 10)，目標(biāo)2的位置坐標(biāo)為(15，12), 單位為公里。有4個(gè)接收機(jī)，這些接收機(jī)的位置坐標(biāo)分別為(0， 0)， (10， 0)， (0， 20 ) ， ( 30 ， 30 )， 波達(dá)方向真值分別為 《=arctan0.2,《=arctan0.25,《=—arctan0.2,6>4 =;r/4 ，給這些角度加一個(gè)均值為
0，方差分別為0.01、 0.02， 0.04,0.06， 0.08， 0.10， 0. 12的方向估計(jì)誤差。分 別采用最小二乘、總體最小二乘和約束總體最小二乘法對(duì)定位誤差分別進(jìn)行仿真。
2、 仿真結(jié)果
如圖3所示，當(dāng)方向誤差較小時(shí)，三種方法定位性能相近，這說(shuō)明對(duì)誤差對(duì) 最小二乘和總體最小二乘法的定位影響較小，然而當(dāng)方向誤差較大的時(shí)候，系數(shù) 矩陣不再精確，從而導(dǎo)致最小二乘和總體最小二乘法定位性能下降很大。在同樣 的方向測(cè)量誤差下，總體最小二乘算法和普通最小二乘法性能相當(dāng)，而約束總體 最小二乘法則有較好的定位精度。
從圖3可以看出，本發(fā)明采用的約束總體最小二乘法對(duì)目標(biāo)1和目標(biāo)2進(jìn)行 定位，比已有的最小二乘和總體最小二乘法定位性能好。例如，位于位置(15， 12)處的目標(biāo)2對(duì)各個(gè)MIM0接收機(jī)的方向角差異較大，即各個(gè)接收機(jī)以較大差異 的視角觀測(cè)目標(biāo)，使得接收機(jī)測(cè)定方向上的交截區(qū)域變小，其外接圓半徑，即均 方誤差變小。實(shí)際上這種視角的差異不但對(duì)目標(biāo)定位有利，而且適合MIMO雷達(dá)獲
得空間分集增益，提高了對(duì)隱身目標(biāo)的檢測(cè)能力。
綜上，本發(fā)明采用約束總體最小二乘法能夠有效提高目標(biāo)定位精度。
權(quán)利要求
1.一種多輸入多輸出雷達(dá)系統(tǒng)目標(biāo)定位方法，包括如下步驟1)M個(gè)發(fā)射機(jī)發(fā)射正交的線性調(diào)頻信號(hào)，N個(gè)接收機(jī)相互遠(yuǎn)離，并接收該線性調(diào)頻信號(hào)，M＞3，N＞3；2)每個(gè)接收機(jī)的匹配濾波器將接收到的線性調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行波形匹配；3)計(jì)算每個(gè)接收機(jī)的匹配濾波器輸出信號(hào)功率，并確定最大信噪比的線性調(diào)頻信號(hào)；4)利用MUSIC方法對(duì)最大信噪比的線性調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行高分辨方向估計(jì)，得到方向θi，i＝1，…，N；5)根據(jù)高分辨方向估計(jì)θi，采用約束總體最小二乘法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位，得到目標(biāo)的二維位置坐標(biāo)(x，y)。
2、根據(jù)權(quán)利要求書(shū)所述的目標(biāo)定位方法，其中步驟(5)所述的采用約束總體 最小二乘法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位，按如下步驟進(jìn)行5a)根據(jù)高分辨估計(jì)得到的方向構(gòu)成參數(shù)矩陣:<formula>formula see original document page 2</formula><formula>formula see original document page 2</formula>(1)式中(Xj，y》為第j個(gè)接收機(jī)位置坐標(biāo)，j:l,…，N;5b)構(gòu)造權(quán)矩陣:<formula>formula see original document page 2</formula>(2)式中<formula>formula see original document page 2</formula><formula>formula see original document page 2</formula>IwM表示NxN單位陣，diag()表示形成單位對(duì)角陣; 5c)根據(jù)式(l)和式(2)對(duì)以下(3)式求解,得到目標(biāo)位置坐標(biāo)X^x,y)'<formula>formula see original document page 3</formula>(3)式中，T為矩陣轉(zhuǎn)置，H為矩陣共扼轉(zhuǎn)置-
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種多輸入多輸出MIMO雷達(dá)目標(biāo)定位的方法，主要解決現(xiàn)有在MIMO雷達(dá)中利用最小二乘法對(duì)目標(biāo)定位精度低的缺點(diǎn)。利用系數(shù)矩陣誤差存在相關(guān)性的特點(diǎn)，采用約束總體最小二乘法進(jìn)行目標(biāo)定位，其過(guò)程是對(duì)各個(gè)充分遠(yuǎn)離的發(fā)射機(jī)發(fā)射正交信號(hào)；在接收機(jī)處利用發(fā)射信號(hào)的正交性用匹配濾波的方法分離各發(fā)射陣元的回波信號(hào)；然后各個(gè)接收機(jī)對(duì)目標(biāo)回波進(jìn)行測(cè)向，得到目標(biāo)角度；最后用約束總體最小二乘法，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的精確定位。本發(fā)明具有定位精度高的優(yōu)點(diǎn)，可用于跟蹤和制導(dǎo)中對(duì)空中目標(biāo)的定位。
文檔編號(hào)G01S7/02GK101349748SQ20081015075
公開(kāi)日2009年1月21日 申請(qǐng)日期2008年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月29日
發(fā)明者廖桂生, 毅 曲, 軍 李 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)