一種雙基地mimo雷達(dá)高速高機(jī)動目標(biāo)的角度估計方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了雙基地MIMO雷達(dá)高速高機(jī)動目標(biāo)的角度估計方法，包括雙基地MIMO雷達(dá)的接收陣列接收高速高機(jī)動目標(biāo)的回波信號；接收陣列回波與位于不同距離單元上的發(fā)射信號進(jìn)行共軛相乘；對共軛相乘后數(shù)據(jù)依次在快時間域和慢時間域進(jìn)行傅立葉變換；根據(jù)步驟3中的峰值估計出目標(biāo)速度；在快時間頻率域沿目標(biāo)多普勒頻率值提取在不同分離通道中的目標(biāo)慢時間頻域分量；通過不同距離門上的目標(biāo)頻域數(shù)據(jù)的拼接實現(xiàn)跨多個距離門形成虛擬陣列數(shù)據(jù)；利用超分辨算法估計出各目標(biāo)發(fā)射角和接收角。能夠避免目標(biāo)的高速高機(jī)動運(yùn)動對MIMO雷達(dá)通道分離的影響，實現(xiàn)跨多個距離門形成有效的虛擬陣列，解決了高速高機(jī)動目標(biāo)下的雙基地MIMO雷達(dá)的目標(biāo)角度參數(shù)估計問題。
【專利說明】一種雙基地MI MO雷達(dá)高速高機(jī)動目標(biāo)的角度估計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及多輸入多輸出雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及一種雙基地MIMO雷達(dá)高速高機(jī)動目標(biāo)的角度估計方法。
【背景技術(shù)】
[0002]收發(fā)分置的雙基地雷達(dá)有較強(qiáng)的抗反輻射導(dǎo)彈、抗電子干擾、抗低空突防以及抗隱身的“四抗”能力，而將多輸入多輸出(Multiple-1nput Multiple-Output, ΜΙΜΟ)技術(shù)應(yīng)用于雙基地雷達(dá)中，能夠解決傳統(tǒng)雙基地雷達(dá)中收發(fā)空間波束同步的問題。因此雙基地MMO雷達(dá)有著廣泛的應(yīng)用前景，其目標(biāo)檢測和參數(shù)估計已成為雷達(dá)領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)。雙基地MMO雷達(dá)的發(fā)射陣列發(fā)射相互正交的信號，而相距較遠(yuǎn)的接收陣列能夠利用發(fā)射信號的正交性通過匹配濾波方法形成虛擬陣列，然后利用傳統(tǒng)超分辨角度估計算法可從虛擬陣列中估計出目標(biāo)的發(fā)射角(Direction Of Departure, D0D)和接收角(Direction OfArrival，D0A)，從而實現(xiàn)空間多個目標(biāo)的無模糊交叉定位。
[0003]現(xiàn)代雷達(dá)不僅在防空領(lǐng)域中面臨著高速飛行導(dǎo)彈和戰(zhàn)斗機(jī)的威脅，而且在航天領(lǐng)域中也需要實時監(jiān)視天空軌道目標(biāo)，因此高速高機(jī)動目標(biāo)是現(xiàn)代雷達(dá)目標(biāo)探測中面臨的新問題。雖然，雙基地MMO雷達(dá)的DOD和DOA聯(lián)合估計算法已被廣泛研究，并涌現(xiàn)出一些行之有效的算法，但是大部分算法未考慮目標(biāo)的高速運(yùn)動對目標(biāo)角度估計的影響。在雙基地MIMO雷達(dá)中，虛擬陣列的有效形成和回波的信號長時間積累是目標(biāo)角度估計的關(guān)鍵。由于高速運(yùn)動目標(biāo)產(chǎn)生的大多普勒頻率在匹配濾波時間內(nèi)對發(fā)射信號的調(diào)制不能忽略，出現(xiàn)回波信號嚴(yán)重失真現(xiàn)象，使得匹配濾波嚴(yán)重失配，從而導(dǎo)致MIMO雷達(dá)無法有效形成虛擬陣列，致使傳統(tǒng)的超分辨算法難以完成目標(biāo)角度估計。同時，高速運(yùn)動目標(biāo)會在回波積累時間即在角度估計過程中跨越多個距離單元，即目標(biāo)能量分散在多個距離單元上，因此，MIMO雷達(dá)利用傳統(tǒng)超分辨算法估計目標(biāo)角度時，必須先將目標(biāo)能量聚焦在單個距離單元上，否則會影響目標(biāo)的角度估計精度。R.P.Perry等在IEEE Transactions on Aerospace andElectronic Systems期刊1999年第35卷第I期的188頁至200頁提出的Keystone變換是一種雷達(dá)中常用的距離校正技術(shù)，它通過慢時間軸的尺度變換使得目標(biāo)回波包絡(luò)能夠在長回波積累時間內(nèi)對齊，由于在低信噪比情況下仍能保留回波相位關(guān)系，因此適用于微弱高速目標(biāo)檢測。然而Keystone變換在目標(biāo)出現(xiàn)多普勒模糊時會失效，但是在雷達(dá)信號的低重復(fù)頻率限制下目標(biāo)高速運(yùn)動必然會導(dǎo)致多普勒模糊，并且Keystone變換也無法校正由高速高機(jī)動目標(biāo)的徑向加速度引起的距離彎曲，同時由于尺度變換一般需要插值運(yùn)算來實現(xiàn)，因此其運(yùn)算量較大。秦國棟在電子學(xué)報期刊2010年第38卷第12期的2763頁至2768頁將級聯(lián)Keystone變換應(yīng)用于多載頻MMO雷達(dá)高速目標(biāo)的多維參數(shù)估計中，為了避免Keystone變換失效，該方法先對高速運(yùn)動目標(biāo)的多普勒模糊數(shù)進(jìn)行搜索估計，然后分別利用Keystone變換對回波距離走動以及由于發(fā)射載頻不同而在各個分離通道中引起的多普勒頻率差進(jìn)行校正，從而解決MMO雷達(dá)對高速運(yùn)動目標(biāo)多維參數(shù)的聯(lián)合估計。然而由高機(jī)動目標(biāo)的加速度引起的在不同分離通道中的多普勒頻率差無法通過Keystone變換校正，這會導(dǎo)致多載頻MMO雷達(dá)的虛擬陣列無法有效形成。陳金立在電子與信息學(xué)報2013年第35卷第4期的859頁至864頁提出一種雙基地MMO雷達(dá)高速運(yùn)動目標(biāo)DOD和DOA的方法，為了使分散在不同距離單元的目標(biāo)信號進(jìn)行有效累加，該方法把分散在不同距離單元上的目標(biāo)匹配濾波輸出數(shù)據(jù)的采樣協(xié)方差矩陣進(jìn)行平均，通過提高協(xié)方差矩陣的估計精度來提高目標(biāo)角度的估計精度。為了避免匹配濾波器失配，該方法通過降低匹配濾波時長來擴(kuò)大其多普勒容限，但是犧牲了匹配濾波器的通道分離性能，使得MMO雷達(dá)形成的虛擬陣列的性能不能達(dá)到最優(yōu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決上述問題，本發(fā)明公開了一種雙基地MMO雷達(dá)高速高機(jī)動目標(biāo)的角度估計方法。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的方法是：一種雙基地MMO雷達(dá)高速高機(jī)動目標(biāo)的角度估計方法，包括如下步驟：
[0006](I)、通過雙基地MMO雷達(dá)的接收陣列接收高速高機(jī)動目標(biāo)的回波信號；
[0007](2)、接收陣列回波與位于不同距離單元上的發(fā)射信號進(jìn)行共軛相乘；
[0008](3)、對共軛相乘后數(shù)據(jù)依次在快時間域和慢時間域進(jìn)行傅立葉變換；
[0009](4)、根據(jù)步驟3處理結(jié)果中的峰值估計出目標(biāo)速度；
[0010](5)、在快時間頻率域沿目標(biāo)多普勒頻率值提取在不同分離通道中的目標(biāo)慢時間頻域分量；
[0011](6)、通過不同距離門上的目標(biāo)頻域數(shù)據(jù)的拼接，實現(xiàn)跨多個距離門形成虛擬陣列數(shù)據(jù)；
[0012](7)、利用超分辨算法估計出各目標(biāo)發(fā)射角和接收角。
[0013]有益效果：
[0014]本發(fā)明公開的一種雙基地MIMO雷達(dá)高速高機(jī)動目標(biāo)的角度估計方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0015](I)目標(biāo)的高速高機(jī)動運(yùn)動導(dǎo)致傳統(tǒng)匹配濾波器嚴(yán)重失配，因此雙基地MMO雷達(dá)無法有效形成虛擬陣列，從而使得傳統(tǒng)超分辨方法難以完成目標(biāo)發(fā)射角和接收的有效估計，本發(fā)明方法通過對接收陣列回波與發(fā)射信號的共軛相乘后數(shù)據(jù)進(jìn)行快時間域和慢時間域的傅立葉變換處理，然后提取在不同分離通道中的目標(biāo)頻域分量，以避免了目標(biāo)的高速高機(jī)動運(yùn)動對MIMO雷達(dá)通道分離的影響，使得虛擬陣列得以有效形成。
[0016](2)本發(fā)明通過對分散在多個距離單元的目標(biāo)頻域分量進(jìn)行重新拼接，從而在目標(biāo)角度估計時能夠?qū)Σ煌嚯x單元上的目標(biāo)能量進(jìn)行有效積累，以提高目標(biāo)DOD和DOA的估計精度，而且其運(yùn)算量比現(xiàn)有距離走動校正方法低得多，有利于工程實現(xiàn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖I為本發(fā)明實現(xiàn)流程圖；
[0018]圖2為本發(fā)明的雙基地MMO雷達(dá)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖3為本發(fā)明對接收陣列回波與不同距離單元上發(fā)射信號共軛相乘后的數(shù)據(jù)進(jìn)行二維傅立葉變換處理結(jié)果圖；[0020]圖4為利用傳統(tǒng)算法(ESPRIT算法)估計高速目標(biāo)角度的星座圖；
[0021]圖5為利用本發(fā)明算法估計高速目標(biāo)角度的星座圖；
[0022]圖6為目標(biāo)I的角度估計RMSE與信噪比SNR的關(guān)系圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解下述【具體實施方式】僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。需要說明的是，下面描述中使用的詞語“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附圖中的方向，詞語“內(nèi)”和“外”分別指的是朝向或遠(yuǎn)離特定部件幾何中心的方向。
[0024]本發(fā)明的一種雙基地MIMO雷達(dá)高速高機(jī)動目標(biāo)的角度估計方法包括以下步驟:
[0025]步驟I，通過雙基地MMO雷達(dá)的接收陣列接收高速高機(jī)動目標(biāo)的回波信號。
[0026]假設(shè)雙基地MIMO雷達(dá)發(fā)射陣列和接收陣列均采用等距均勻線陣，分別由M個發(fā)射陣元和N個接收陣元組成，其陣元間距分別為dt和d,，如圖2所示。M個發(fā)射陣元發(fā)射相互正交的周期基帶相位編碼信號，可表示為
[0027]S(t,t,) = [5,(/,t,、S1(Itl)…Sw(?,Oj(I)
[0028]式中，[.]τ表示矢量轉(zhuǎn)置山=IT為慢時間，其中T為雷達(dá)信號的重復(fù)周期；i = t + lT,其中t為快時間,O≤t < T ; 為第m個發(fā)射陣元的發(fā)射信號。
[0029]假設(shè)在相同起始距離分辨單元上存在P個高速高機(jī)動目標(biāo)，其發(fā)射角(DOD)分別表不為 Θ tl，Qt2,..., θ tP，接收角(DOA)分別表不為 Θ rl, Θ r2,..., Θ rP,那么(Θ tp, θ rp)可表示第P (P = 1，2，...，P)個目標(biāo)的空間位置。P個目標(biāo)作勻加速直線運(yùn)動，令Vp = vtp+vrp和ap = atp+an)為第P目標(biāo)的“徑向速度和”以及“徑向加速度和”，Vtp和％為第P個目標(biāo)相對于發(fā)射陣列和接收陣列的徑向速度，atp和aip為第P個目標(biāo)相對于發(fā)射陣列和接收陣列的徑向加速度。高速目標(biāo)在回波信號積累時間內(nèi)所移動的距離遠(yuǎn)小于其離發(fā)射陣列和接收陣列的距離，因此目標(biāo)DOA和DOD在回波積累時間內(nèi)發(fā)生的微小變化可以忽略不計。接收陣列基帶回波信號可表示為
【權(quán)利要求】
1. 一種雙基地MIMO雷達(dá)高速高機(jī)動目標(biāo)的角度估計方法，其特征在于：包括如下步驟： (1)、通過雙基地MIMO雷達(dá)的接收陣列接收高速高機(jī)動目標(biāo)的回波信號； (2)、接收陣列回波與位于不同距離單元上的發(fā)射信號進(jìn)行共軛相乘； (3)、對共軛相乘后數(shù)據(jù)依次在快時間域和慢時間域進(jìn)行傅立葉變換； (4)、根據(jù)步驟3處理結(jié)果中的峰值估計出目標(biāo)速度； (5)、在快時間頻率域沿目標(biāo)多普勒頻率值提取在不同分離通道中的目標(biāo)慢時間頻域分量；（6)、通過不同距離門上的目標(biāo)頻域數(shù)據(jù)的拼接，實現(xiàn)跨多個距離門形成虛擬陣列數(shù)據(jù)； (7)、利用超分辨算法估計出各目標(biāo)發(fā)射角和接收角。
【文檔編號】G01S7/41GK103777190SQ201410065844
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年2月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月26日
【發(fā)明者】陳金立, 李家強(qiáng), 朱艷萍, 于兵, 顧紅 申請人:南京信息工程大學(xué)