基于互相關(guān)矩陣的雙基mimo雷達(dá)角度估計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于互相關(guān)矩陣的雙基MIMO雷達(dá)角度估計(jì)方法，主要解決雙基MIMO雷達(dá)角度估計(jì)運(yùn)算量大、計(jì)算復(fù)雜的問題。其實(shí)現(xiàn)步驟是：1）對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行匹配濾波，并按發(fā)射陣和接收陣形成數(shù)據(jù)；2）用形成數(shù)據(jù)分別構(gòu)造互協(xié)方差矩陣；3）用互協(xié)方差矩陣行向量的線性無關(guān)性分別求解發(fā)射陣和接收陣導(dǎo)向矢量零空間的正交投影算子，并構(gòu)造發(fā)射陣和接收陣求根多項(xiàng)式；4）求解目標(biāo)相對(duì)于發(fā)射陣和接收陣位置；5）用匹配濾波后數(shù)據(jù)自相關(guān)協(xié)方差矩陣行向量的線性無關(guān)性求解合成陣列導(dǎo)向矢量零空間的正交投影算子，并構(gòu)造代價(jià)函數(shù)進(jìn)行角度配對(duì)。本發(fā)明以小的運(yùn)算量實(shí)現(xiàn)了高精度的MIMO雷達(dá)目標(biāo)角度估計(jì)，可用于雷達(dá)、通信中的目標(biāo)定位。
【專利說明】基于互相關(guān)矩陣的雙基MIMO雷達(dá)角度估計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于雷達(dá)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及到雙基地MIMO雷達(dá)角度估計(jì)方法，可用于雷達(dá)目標(biāo)參數(shù)估計(jì)與檢測。
【背景技術(shù)】
[0002]雙基地MMO雷達(dá)目標(biāo)相對(duì)于發(fā)射陣位置DOD和接收陣位置DOA估計(jì)引起了很多學(xué)者的研究興趣。大部分的研究方法基于特征分解類算法。如K.T.Wong等人在IEEETransaction On Antenna and Propagation 期刊第 48 卷第 8 期第 1235 頁至 1245 頁提出了二維多重信號(hào)分類算法MUSIC。X.Zhang等人在IEEE Communications Letters期刊第14卷第12期第1161頁至1163頁提出了降維MUSIC算法。這兩種算法性能相近。陳多芳等人2008年在Electronics Letters期刊第44卷第12期第770頁至771頁提出的雙基地MMO雷達(dá)ESPRIT算法，該算法利用發(fā)射陣和接收陣的旋轉(zhuǎn)不變性估計(jì)雙基地MMO雷達(dá)到達(dá)角，并獲得了較好的估計(jì)性能。M.L.Bencheikh等人2010年在Electronics Letters期刊第46卷第15期第1081頁至1083頁提出了聯(lián)合MUSIC-ESPRIT算法，相比多項(xiàng)式求根算法，該算法運(yùn)算量有一定的減少，但仍然無法滿足工程需要。
[0003]特征分解類算法的復(fù)雜度受陣列孔徑影響較大，為了降低運(yùn)算量及加性噪聲對(duì)算法的影響，Jingmin Xin 等人 2004 年在 IEEE Transaction on Signal Processing 期刊第52卷第4期第876頁至893頁提出了無特征值分解的子空間算法來估計(jì)一維D0A。盡管該算法估計(jì)性能相比特征分解類算法較差，但是運(yùn)算量小，并且在低信噪比和小快拍條件下，能夠較好的估計(jì)兩個(gè)離得很近的相干和非相干目標(biāo)。Guangmin Wang等人2011年在IEEETransaction on Signal Processing期刊第59卷第7期第3197頁至3212頁提出了無特征值分解的子空間算法來估計(jì)二維D0A。該算法估計(jì)性能優(yōu)于CCM-ESPRIT和JSVD算法，但是由于限定方位維和俯仰維陣元數(shù)相等，大大限制了陣列排布；此外，該算法涉及的L型陣列接收的方位維和俯仰維數(shù)據(jù)相互獨(dú)立，而雙基地MMO雷達(dá)接收的DOD和DOA數(shù)據(jù)包含在同一數(shù)據(jù)中，因此，該算法無法直接應(yīng)用于雙基地MIMO雷達(dá)角度估計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述已有技術(shù)的不足，提出一種基于互相關(guān)矩陣的雙基MMO雷達(dá)角度估計(jì)方法，以避免大的運(yùn)算量，減弱加性噪聲的影響，提高角度估計(jì)精度，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙基地MIMO雷達(dá)角度的快速估計(jì)。
[0005]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的技術(shù)思路是:從接收數(shù)據(jù)分離DOD和DOA數(shù)據(jù)并構(gòu)造新的互相關(guān)協(xié)方差矩陣，根據(jù)互相關(guān)矩陣行向量的線性無關(guān)性求解導(dǎo)向矢量零空間的投影算子，利用求根MUSIC算法求解目標(biāo)角度，以合成陣列導(dǎo)向矢量零空間的投影算子構(gòu)造代價(jià)函數(shù)實(shí)現(xiàn)DOD和DOA的配對(duì)。具體實(shí)現(xiàn)步驟包含如下:
[0006]1)M個(gè)發(fā)射天線發(fā)射電磁波照射空間P個(gè)不相關(guān)目標(biāo)，N個(gè)接收天線接收目標(biāo)散射回波，并對(duì)回波信號(hào)依次進(jìn)行混頻、低通濾波、通道分離，得到MNX I維發(fā)射陣排列數(shù)據(jù)X = As(t)+n(t)其中A = [b” b2,..., b”…，bP],為合成陣列導(dǎo)向矢量，i = I,…，P，
【權(quán)利要求】
1.一種基于互相關(guān)矩陣的雙基MIMO雷達(dá)角度估計(jì)方法，包括如下步驟: 1)M個(gè)發(fā)射天線發(fā)射電磁波照射空間P個(gè)不相關(guān)目標(biāo)，N個(gè)接收天線接收目標(biāo)散射回波，并對(duì)回波信號(hào)依次進(jìn)行混頻、低通濾波、通道分離，得到麗X I維發(fā)射陣排列數(shù)據(jù)X = As(t)+n(t)其中A = [b1； b2, bi；…，bP],為合成陣列導(dǎo)向矢量，i = I,…，P，&,? =C/,賴，⑩為Kronecker積^r((J)i)和at ( 0 ^分別為第i個(gè)目標(biāo)的接收陣和發(fā)射陣導(dǎo)向矢量，9 i為第i個(gè)目標(biāo)相對(duì)于發(fā)射陣位置，I為第i個(gè)目標(biāo)相對(duì)于接收陣位置；s(t)為發(fā)射信號(hào)矢量，n(t)是復(fù)高斯白噪聲矢量；M、N為大于零的整數(shù)； 2)將MNXI維發(fā)射陣排列數(shù)據(jù)X按照接收陣排列，得到NMX I維接收陣排列數(shù)據(jù)Y ； 3)構(gòu)造發(fā)射陣排列數(shù)據(jù)X與接收陣排列數(shù)據(jù)Y互相關(guān)協(xié)方差矩陣Rxy和接收陣排列數(shù)據(jù)Y與發(fā)射陣排列數(shù)據(jù)X互相關(guān)協(xié)方差矩陣Ryx ； 3a)用MNX I維發(fā)射陣排列數(shù)據(jù)X中的M個(gè)元素和匪X I維接收陣排列數(shù)據(jù)Y中的N個(gè)元素構(gòu)成第一互相關(guān)矩陣Rxykj，k = 1，…，N，j = I,…，M ;用麗X I維發(fā)射陣排列數(shù)據(jù)X中的M個(gè)元素共軛反轉(zhuǎn)和NMX I維接收陣排列數(shù)據(jù)Y中的N個(gè)元素構(gòu)成第二互相關(guān)矩陣Rw ；將這兩個(gè)互相關(guān)矩陣按照行排列，構(gòu)成發(fā)射陣排列數(shù)據(jù)X與接收陣排列數(shù)據(jù)Y互相關(guān)協(xié)方差矩陣Rxy的一個(gè)子陣，該互相關(guān)協(xié)方差矩陣Rxy的子陣數(shù)小于等于M和N中的最小值；3b)用NMX I維接收陣排列數(shù)據(jù)Y中的N個(gè)元素和MNX I維發(fā)射陣排列數(shù)據(jù)X中的M個(gè)元素構(gòu)成第三互相關(guān)矩陣Ryxjk ;用NMX I維接收陣排列數(shù)據(jù)Y中的N個(gè)元素共軛反轉(zhuǎn)和MNX I維發(fā)射陣排列數(shù)據(jù)X中的M個(gè)元素構(gòu)成互第四互相關(guān)矩陣Rwi ;將這兩個(gè)互相關(guān)矩陣按照行排列，構(gòu)成接收陣排列數(shù)據(jù)Y與發(fā)射陣排列數(shù)據(jù)X互相關(guān)協(xié)方差矩陣Ryx的一個(gè)子陣，該互相關(guān)協(xié)方差矩陣Ryx的子陣數(shù)小于等于M和N中的最小值； 4)將所述發(fā)射陣排列數(shù)據(jù)X與接收陣排列數(shù)據(jù)Y的互相關(guān)協(xié)方差矩陣Rxy劃分為PX2NT維子陣Rj5,和(M-P) X2Nr維子陣^ ?將所述接收陣排列數(shù)據(jù)Y與發(fā)射陣排列數(shù)據(jù)X互相關(guān)協(xié)方差矩陣Ryx劃分為PX2MT維子陣1^和(N-P) X2MT維子陣Rj1; 5)利用所述Rxy行向量的線性無關(guān)性和所述Ryx行向量的線性無關(guān)性，計(jì)算發(fā)射陣導(dǎo)向矢量at( 0 )零空間的正交投影算子n 0，以及接收陣導(dǎo)向矢量零空間的正交投影算子n,: 6)利用發(fā)射陣導(dǎo)向矢量at(0)零空間的正交投影算子n0，以及接收陣導(dǎo)向矢量ar(ct)零空間的正交投影算子H41，分別構(gòu)造發(fā)射陣求根多項(xiàng)式f (Zt)和接收陣求根多項(xiàng)式f (zr)； 7)分別求解發(fā)射陣求根多項(xiàng)式申.位圓上的根Zt和接收陣求根多項(xiàng)式單位圓上的根％，得到目標(biāo)相對(duì)于發(fā)射陣位置估計(jì)值0和目標(biāo)相對(duì)于接收陣位置估計(jì)值^ ; 8)利用麗XI維發(fā)射陣排列數(shù)據(jù)X的自相關(guān)協(xié)方差矩陣Rxx行向量的線性無關(guān)性，計(jì)算合成陣列導(dǎo)向矢量A零空間的正交投影算子n L41 ； 9)利用合成陣列導(dǎo)向矢量A零空間的正交投影算子H041構(gòu)造代價(jià)函數(shù)f(0m，Cj5J=i/bjn 0，>，其中
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于互相關(guān)矩陣的雙基MMO雷達(dá)角度估計(jì)方法，其中所述步驟3a)中構(gòu)造發(fā)射陣排列數(shù)據(jù)X與接收陣排列數(shù)據(jù)Y互相關(guān)協(xié)方差矩陣Rxy，其公式如下: <
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于互相關(guān)矩陣的雙基MMO雷達(dá)角度估計(jì)方法，其中所述步驟3b)中構(gòu)造接收陣排列數(shù)據(jù)Y與發(fā)射陣排列數(shù)據(jù)X互相關(guān)協(xié)方差矩陣Ryx，其公式如下:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于互相關(guān)矩陣的雙基MMO雷達(dá)角度估計(jì)方法，其中步驟5)所述的利用所述Rxy行向量的線性無關(guān)性和所述Ryx行向量的線性無關(guān)性，計(jì)算發(fā)射陣導(dǎo)向矢量at( Θ )零空間的正交投影算子Π 0，以及接收陣導(dǎo)向矢量\(φ)零空間的正交投影算子Πφ，按如下步驟進(jìn)行: 5a)利用所述Rxy行向量的線性無關(guān)性和所述Ryx行向量的線性無關(guān)性得到 == Rj*這兩個(gè)關(guān)系式，進(jìn)而得到: V4=IKMJ1IK^,, 其中O—1為求逆算子，H表示共軛轉(zhuǎn)置，P0為所述子陣和子陣Ri之間的線性算子，ρφ為所述子陣RL和子陣R'之間的線性算子； 5b)利用步驟5a)得到的兩個(gè)算子Pe和P41，分別構(gòu)建發(fā)射投影矩陣Qe和接收投影矩陣 Q41:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于互相關(guān)矩陣的雙基MMO雷達(dá)角度估計(jì)方法，其中步驟6)所述的用發(fā)射陣導(dǎo)向矢量at ( 0 )零空間的正交投影算子n 0，以及接收陣導(dǎo)向矢量ar(ct)零空間的正交投影算子H41，分別構(gòu)造發(fā)射陣求根多項(xiàng)式f (Zt)和接收陣求根多項(xiàng)式f(%)，其公式如下:
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于互相關(guān)矩陣的雙基MMO雷達(dá)角度估計(jì)方法，其中所述步驟7)中目標(biāo)相對(duì)于發(fā)射陣位置估計(jì)值#和目標(biāo)相對(duì)于接收陣位置估計(jì)值 分別表述如下:
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于互相關(guān)矩陣的雙基MMO雷達(dá)角度估計(jì)方法，其中步驟8)所述的利用麗X I維發(fā)射陣排列數(shù)據(jù)X的自相關(guān)協(xié)方差矩陣Rxx行向量的線性無關(guān)性，計(jì)算合成陣列導(dǎo)向矢量A零空間的正交投影算子n04)，按如下步驟進(jìn)行: 8a)利用MNX I維發(fā)射陣排列數(shù)據(jù)X構(gòu)造自相關(guān)協(xié)方差矩陣Rxx，Rxx = E {XXH}，并將其劃分為PxP維子陣Rl1和
【文檔編號(hào)】G01S7/41GK103760547SQ201410035144
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月24日
【發(fā)明者】秦國棟, 武斌, 鮑丹, 蔡晶晶, 李鵬, 劉高高, 馮小平, 張葵 申請人:西安電子科技大學(xué)