CN106443615A - 一种双基地mimo雷达高速目标跨距离门测速定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于雷达信号处理技术领域，公开了一种双基地MIMO雷达高速目标跨距离门测速定位方法，包括如下步骤：获取L个基带回波脉冲信号；对L个基带回波脉冲信号进行脉冲压缩处理得到脉压输出信号，进而估计得到目标的发射方位角、发射俯仰角及接收俯仰角的粗估计值；利用目标的角度的粗估计值，确定目标跨越的距离单元数；利用目标所跨越的距离单元数，估计得到该目标的角度信息及多普勒频率；利用目标的角度信息确定目标的坐标信息，以及利用目标的多普勒频率确定该目标的速度。本发明能够在雷达目标存在距离走动情况下，精确估计雷达目标的角度信息以及多普勒频率，实现雷达目标的精确定位。

Description

一种双基地MIMO雷达高速目标跨距离门测速定位方法

技术领域

本发明涉及雷达信号处理技术领域，特别涉及一种双基地MIMO雷达高速目标跨距离门测速定位方法。

背景技术

现代飞行器的速度越来越快，目前世界各国纷纷研制超音速飞机，以美国开发的X-43A试验机为代表，其速度达到9.7马赫，这对传统体制的雷达目标检测提出了挑战。

近年来，为了提高雷达的检测性能和估计精度，人们将多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技术广泛应用于雷达中，获得了MIMO雷达。MIMO雷达的发射阵列各阵元发射相互正交的信号，而接收阵列通过匹配滤波方法分离出各发射通道的信号，因此在接收端可以形成虚拟3阵列，提高角度估计性能。双基地MIMO雷达的收发阵列相距较远，通过利用在相同距离单元上的目标回波数据联合估计目标的发射角(DirectionOf Departure，DOD)和接收角(Direction Of Arrival，DOA)实现目标的无模糊交叉定位，是一种非常重要的MIMO雷达。目前，已涌现出一批稳健、实时和高效的多目标定位方法，然而，现有算法均是针对静止目标或者低速目标，并未涉及高速运动目标，如在防空领域中的高速飞行导弹、在航天领域中的轨道目标等。由于高速运动目标在回波积累时间内会跨多个距离单元运动，即在角度估计过程中高速运动目标已经跨越了多个距离单元，然而，现有的双基地MIMO雷达的角度估计算法均无法跨距离单元进行回波积累，因此难以完成空间高速运动目标的DOD和DOA等参数的有效估计。

针对这一问题，陈金立等提出了单基地MIMO雷达的高速运动目标距离和角度等参数的估计方法，该方法在短时间内对多个输出通道回波数据进行相参合并来取代回波数据的长时间相参积累检测，以降低距离徙动对目标探测的影响，能有效实现多个高速运动目标的无模糊检测，但是该方法需要大量天线阵元来获得较高的空间合成增益。另外，陈百孝等提出将多载频MIMO雷达应用于高速目标的多维参数估计中，利用级联楔石形(Keystone)变换校正距离走动，并补偿因发射多载频信号而引起的各分离通道的多普勒频率差，从而解决了高速运动目标下多载频MIMO雷达的多维参数估计，但是Keystone变换在目标出现多普勒模糊时会失效，目标的高速运动必然会出现多普勒模糊，因此需要预先知道目标的多普勒模糊因子并进行补偿。此外，由于多载频MIMO雷达是利用频分发射信号实现发射通道的分离，因此雷达总的发射信号带宽会很大，这样会导致硬件实现的 复杂度增加。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明实施例提供了一种双基地MIMO雷达高速目标跨距离门测速定位方法，在雷达目标存在距离走动情况下，能够精确估计雷达目标分别相对于发射机的方位角和俯仰角以及相对于接收机的接收角，同时得到雷达目标的多普勒频率估计值，从而实现雷达目标的精确定位。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

提供一种双基地MIMO雷达高速目标跨距离门测速定位方法，双基地MIMO雷达的发射机为包括M个阵元的均匀圆阵，接收机为包括N个阵元的均匀线阵，M和N为正整数，方法包括如下步骤：

步骤1，获取接收机接收到的L个基带回波脉冲信号，L为正整数；

步骤2，获取双基地MIMO雷达可探测的所有距离单元中的第z个距离单元上的参考信号，并利用第z个距离单元上的参考信号对L个基带回波脉冲信号中的第l个基带回波脉冲信号进行脉冲压缩处理，得到第l个基带回波脉冲信号在第z个距离单元上的脉压输出信号；利用全部L个基带回波脉冲信号在第z个距离单元上的脉压输出信号，得到第z个距离单元上的脉压输出组合信号；利用第z个距离单元上的脉压输出组合信号，估计得到第z个距离单元上的目标的发射方位角、发射俯仰角及接收俯仰角的粗估计值；其中，z取1到Z之间的所有整数值，Z为双基地MIMO雷达可探测的目标的最大跨越距离门数，l取1到L之间的所有整数值；

步骤3，对于起始距离单元上的P个目标中的每一目标，利用该目标的发射方位角、发射俯仰角及接收俯仰角的粗估计值以及第z个距离单元上的Q个目标的发射方位角、发射俯仰角及接收俯仰角的粗估计值，确定该目标跨越的距离单元数；其中，P为起始距离单元上的目标个数，Q为第z个距离单元上的目标个数，P和Q为正整数；

步骤4，对于起始距离单元上的P个目标中的每一目标，利用步骤3中得到的该目标所跨越的距离单元数，估计得到发射机发射的L个脉冲信号中的第m个脉冲信号所在的距离单元，并利用第m个脉冲信号所在的距离单元上的参考信号，对L个基带回波脉冲信号中对应的第m个基带回波脉冲信号进行脉冲压缩处理，得到第m个基带回波脉冲信号对应的脉压输出信号，进而根据全部L个基带回波脉冲信号对应的脉压输出信号，得到该目标对应的脉压输出信号，利用该目标对应的脉压输出信号估计得到该目标的 发射方位角、发射俯仰角、接收俯仰角以及多普勒频率；其中，m取1到L之间的所有整数值；

步骤5，对于起始距离单元上的P个目标中的每一目标，利用步骤4中得到的该目标的发射方位角、发射俯仰角、接收俯仰角，确定该目标的坐标信息，以及，利用步骤4中得到的该目标的多普勒频率，确定该目标的速度。

现有技术中，高速运动目标的距离走动会使得回波积累时间内，目标能量分散到多个距离单元上，导致单个距离单元上的目标信号协方差矩阵的估计值与真实值相差较大，致使噪声和信号子空间的估计值发生畸变，最终导致目标参数估计精度较低。而本发明上述方案，不再依靠单个距离单元上的信息进行目标定位，而是采用跨距离门联合估计的思想，通过将同一目标所跨越的不同距离单元的回波脉冲压缩数据进行平均，以提高目标信号脉压信号的估计精度，因此能获得更为精确的闭式解，有效解决雷达目标存在距离走动所导致的目标参数估计精度低的问题，能够精确估计雷达目标分别相对于发射机的方位角和俯仰角以及相对于接收机的接收角，同时得到雷达目标的多普勒频率估计值，实现雷达目标的精确定位。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的双基地MIMO雷达雷达高速目标跨距离门测速定位方法的流程示意图；

图2为双基地MIMO雷达的几何构型示意图；

图3为采用本发明方法进行测速定位后得到的目标的角度估计的均方根误差随SNR的变化示意图；

图4为采用本发明方法进行测速定位后得到的目标角度估计的均方根误差随SNR的变化示意图；

图5为采用本发明方法进行测速定位后得到的目标速度估计的均方根误差随SNR的变化示意图；

图6为采用本发明方法进行测速定位后得到的目标位置估计的均方根误差随SNR的变 化示意图；

图7为采用现有方法以及本发明方法在存在距离走动情况下进行定位测速以及采用现有方法在不存在距离走动的情况下进行定位测速得到的目标角度估计均方根误差的对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明实施例中所述的高速目标并不特指速度为某一定值的目标，而是泛指可能出现距离走动的目标。本领域技术人员可以理解，本发明实施提供的方法之所以限定目标为高速目标，原因在于相比于低速目标，高速目标更易出现距离走动，使得雷达无法跨距离单元进行回波积累，进而致使雷达难以完成目标角度的有效估计。一般情况下，速度超过3马赫的目标相对容易出现距离走动，其中，1马赫为一倍音速，大约为340.3m/s。

本发明实施例提供了一种双基地MIMO雷达高速目标跨距离门测速定位方法，其流程图如图1所示。其中，双基地MIMO雷达的发射机为包括M个阵元的均匀圆阵，接收机为包括N个阵元的均匀线阵，并且发射机的M个阵元发射的信号为相互正交的波形信号，M和N为正整数。

参见图1，本发明实施例提供的双基地MIMO雷达高速目标跨距离门测速定位方法包括如下步骤：

步骤1，获取接收机的N个阵元接收到的L个基带回波脉冲信号。

具体的，L个基带回波信号中的第l个基带回波脉冲信号的表达式为：

式中，S表示发射阵列的发射信号矩阵，S＝[s₁，s₂，…，s_M]^T，s_m表示第m个发射阵元的发射信号；ρ_p表示第p个目标的散射系数；z_pl表示第p个目标在发射机发射第l个脉冲信号时所跨越的距离单元数；a_r(α_p)表示接收阵列的导向矢量，α_p表示第p个目标的接收俯仰角，λ表示载波波长，d_r表示均匀线阵的阵元间距；表示发射阵列导向矢量，θ_p表示第p个目标的发射方位角，表示第p个目标的发射俯仰角，β_m＝2π(m-1)/N_t，m＝1，2，…，M，N_t＝2*M_c+1，M_c＝floor(2πr/λ)，floor(·)表示向下取整，r表示均匀圆阵的半径；f_dp表示第p个目标的多普勒频率；t_l表示第l个脉冲信号的慢时间；ω_l表示噪声矩阵；K表示单个脉冲的相位编码长度；(·)^T表示矢量或矩阵的转置；(·)^H表示矢量或矩阵的共轭转置；l＝1，2，…，L，k＝1，2，…，K。

步骤2，获取双基地MIMO雷达可探测的所有距离单元中的第z个距离单元上的参考信号，并利用第z个距离单元上的参考信号对L个基带回波脉冲信号中的第l个基带回波脉冲信号进行脉冲压缩处理，得到第l个基带回波脉冲信号在第z个距离单元上的脉压输出信号；利用全部L个基带回波脉冲信号在第z个距离单元上的脉压输出信号，得到第z个距离单元上的脉压输出组合信号；利用第z个距离单元上的脉压输出组合信号，估计得到第z个距离单元上的目标的发射方位角、发射俯仰角及接收俯仰角的粗估计值。

其中，z取1到Z之间的所有整数值，Z为双基地MIMO雷达可探测的目标的最大跨越距离门数，l取1到L之间的所有整数值。

可以理解，由于目标高速运动时，会在距离单元上出现的徙动(称为距离徙动)，从而导致目标能量分散在多个距离单元上。因此，对于高速运动目标，仅利用单个距离单元上的信息无法估计得到精确的目标的角度值，需要联合多个距离单元上的信息以估计目标的角度值。

具体来说，第l个基带回波脉冲信号在第z个距离单元上的脉压输出信号的表达式为：

式中，Y_lz表示第l个基带回波脉冲信号在第z个距离单元上的脉压输出信号，S_z表示第z个距离单元上的参考信号，C_z表示在发射机发射第l个脉冲信号时跨越的距离单元数为z的目标的集合，ρ_p表示第p个目标的散射系数，z_pl表示第p个目标在发射机发射第1个脉冲信号时所跨越的距离单元数，a_r(α_p)表示接收阵列的导向矢量，α_p表示第p个目标的接收俯仰角，表示发射阵列导向矢量，θ_p表示第p个目标的发射方位角， 表示第p个目标的发射俯仰角，f_dp表示第p个目标的多普勒频率，t_l表示第l个脉冲信号的慢时间；ω_l表示噪声矩阵；K表示单个脉冲的相位编码长度；(·)^T表示矢量或矩阵的转置；(·)^H表示矢量或矩阵的共轭转置；l＝1，2，…，L。

进一步的，若M个发射信号的自相关旁瓣近似等于零，那么，可将公式2中的第3项近似为零，则公式2可进一步简化为：

式中，W_lz表示滤波后的噪声矩阵。显然，使用公式3计算得到第l个基带回波脉冲信号在第z个距离单元上的脉压输出信号更为简便。

具体的，步骤2中，利用全部L个基带回波脉冲信号在第z个距离单元上的脉压输出信号，得到第z个距离单元上的脉压输出组合信号，可以包括如下步骤：

对于全部L个基带回波脉冲信号中的每一基带回波脉冲信号，对其在第z个距离单元上的脉压输出信号进行按列矢量化操作，得到对应的矢量化后的脉压输出信号；将全部L个基带回波脉冲信号对应的矢量化后的脉压输出信号，按对应的基带脉冲信号的顺序组合后，即得到第z个距离单元上的脉压输出组合信号。

其中，第z个距离单元上的脉压输出组合信号的表达式为：y_z＝[y_1z，y_2z，…，y_lz，…，y_Lz]，y_z表示第z个距离单元上的脉压输出组合信号，y_lz表示L个基带回波脉冲信号中的第l个基带回波脉冲信号对应的矢量化后的脉压输出信号。

另外，还需说明的是，步骤2中，具体可利用现有的超分辨率算法，如平行因子算法，估计得到第z个距离单元上的目标的发射方位角、发射俯仰角及接收俯仰角的粗估计值，具体步骤可参考本发明实施例中步骤4下面的有关介绍。

步骤3，对于起始距离单元上的P个目标中的每一目标，利用该目标的发射方位角、发射俯仰角及接收俯仰角的粗估计值以及第z个距离单元上的Q个目标的发 射方位角、发射俯仰角及接收俯仰角的粗估计值，确定该目标跨越的距离单元数。

其中，P为起始距离单元上的目标个数，Q为第z个距离单元上的目标个数，P和Q为正整数。

具体的，步骤3具体可以包括如下子步骤：

(3a)对于起始距离单元上的P个目标中的每一目标，判断其与第z个距离单元上的Q个目标中的任一目标是否满足预设的关系式： 若满足，则确定该目标跨越在第z个距离单元上。

其中，和分别表示第z个距离单元上的Q个目标中的某一目标的发射方位角、发射俯仰角以及接收俯仰角的粗估计值；和分别表示起始距离单元上的P个目标中某一目标的发射方位角、发射俯仰角及接收俯仰角的粗估计值；ξ表示判决门限。

(3b)对于起始距离单元上的P个目标中的每一目标，根据其所跨越的距离单元，累计得到该目标跨越的距离单元数。

不难发现，满足不等式的最大的z即为目标跨越的距离单元数。

步骤4，对于起始距离单元上的P个目标中的每一目标，利用步骤3中得到的该目标所跨越的距离单元数，估计得到发射机发射的L个脉冲信号中的第m个脉冲信号所在的距离单元，并利用第m个脉冲信号所在的距离单元上的参考信号，对L个基带回波脉冲信号中对应的第m个基带回波脉冲信号进行脉冲压缩处理，得到第m个基带回波脉冲信号对应的脉压输出信号，进而根据全部L个基带回波脉冲信号对应的脉压输出信号，得到该目标对应的脉压输出信号，利用该目标对应的脉压输出信号估计得到该目标的发射方位角、发射俯仰角、接收俯仰角以及多普勒频率。

其中，m取1到L之间的所有整数值。

其中，对于起始距离单元上的P个目标中的每一目标，利用步骤3中得到的该目标所跨越的距离单元数，估计得到发射机发射的L个脉冲信号中的第m个脉冲信号所在的距离单元的具体方法为：将L个脉冲信号均匀划分在从起始距离单元开始到该目标所跨越的最后一个距离单元为止的距离单元区间上，每一脉冲信号被划分至其中哪一距离单元，该距离单元即为该脉冲信号所在的距离单元。

举例来说，假设总的脉冲个数L＝100，起始距离单元为0，起始距离单元上的P个目标中的某一目标其跨越的距离单元数为4，则该目标出现在距离单元0-4，那么，需要将L个脉冲信号中每20个信号划分在其中一个距离单元上，具体来说，是将第1-20个脉冲划分至距离单元0上，第21-40个脉冲划分至距离单元1上，第41-60个脉冲划分至距离单元2上，第61-80个脉冲划分至距离单元3上，第81-100个脉冲划分至距离单元4上。这样一来，第1-20个脉冲信号所在的距离单元即是距离单元0，第21-40个脉冲信号所在的距离单元即是距离单元1，……，依次类推。

具体的，步骤4中，第m个基带回波脉冲信号对应的脉压输出信号的表达式为：

式中， vec(·)表示将矩阵按列矢量化，表示Kronecker积，表示第m个基带回波脉冲信号对应的脉压输出信号，z_p表示发射机发射的L个脉冲信号中的第m个脉冲信号所在的距离单元，表示第m个脉冲信号所在的距离单元上的参考信号，表示在距离单元z_p上目标的信号能量所在的起始脉冲的编号，表示在距离单元z_p上目标的信号能量所在的结尾脉冲的编号，C_z表示在发射机发射第m个脉冲信号时跨越的距离单元数为z的目标的集合，ρ_p表示第p个目标的散射系数，z_pm表示第p个目标在发射机发射第m个脉冲信号时所跨越的距离单元数，a_r(α_p)表示接收阵列的导向矢量，α_p表示第p个目标的接收俯仰角，表示发射阵列导向矢量，θ_p表示第p个目标的发射方位角，表示第p个目标的发射俯仰角，f_dp表示第p个目标的多普勒频率，t_m表示第m个脉冲信号的慢时间；ω_m表示噪声矩阵；K表示单个脉冲的相位编码长度。

另外，还需说明的是，步骤4中，假设起始距离单元为0，起始距离单元0上的第p个目标跨越的距离单元数为Z_p，则在获得全部L个基带回波脉冲信号对应的脉压输出信号后，将脉压输出信号按照如下所示的公式(5)拼接后，即可得到第p个目标对应的 脉压输出信号：

在获得第p个目标对应的脉压输出信号后，可利用超分辨率算法，如平行因子算法对第p个目标对应的脉压输出信号^yΣ_p进行处理，以获得第p个目标的发射方位角、发射俯仰角、接收俯仰角以及多普勒频率。

具体而言，利用平行因子算法对脉压输出信号^y∑_p进行处理，得到目标的发射方位角、发射俯仰角、接收俯仰角以及多普勒频率的具体过程如下：

S1：利用发射导向矢量矩阵A_T、接收导向矢量矩阵A_R和多普勒导向矢量矩阵B，将 ^y∑_p表示为包含发射角度信息、接收角度信息和多普勒信息的形式。

其中，A_R＝[a_r(α₁)，a_r(α₂)，…，a_r(α_p)]，ρ＝[ρ₁，ρ₂，…，ρ_p]，f_d＝[f_d1，f_d2，…，f_dp]。

S2：分别从三个不同的维度将^y∑_p重构成NM×L维矩阵R、ML×N维矩阵T和NL×M维矩阵F。

其中，式中，о表示Khatri-Rao积，W_R表示矩阵R的噪声矩阵，W_T表示矩阵T的噪声矩阵，W_F表示矩阵F的噪声矩阵，A_T表示发射导向矢量初值，A_R表示接收导向矢量初值，B表示多普勒矢量初值。

S3：根据矩阵R、矩阵T和矩阵F，利用平行因子算法得到发射导向矢量的估计矢量接收导向矢量的估计矢量和多普勒频率导向矢量的估计矢量

其中，式中，[·]⁺表示取伪逆。

S4：根据发射导向矢量的估计矢量逆推得到目标相对于发射机的方位角估计值和俯仰角估计值根据接收导向矢量的估计矢量逆推得到目标相对于接收机的接收角估计值根据多普勒频率导向矢量的估计矢量逆推得到雷达目标的多普勒频率估计值

步骤5，对于起始距离单元上的P个目标中的每一目标，利用步骤4中得到的该 目标的发射方位角、发射俯仰角、接收俯仰角，确定该目标的坐标信息，以及，利用步骤4中得到的该目标的多普勒频率，确定该目标的速度。

具体地，可通过如下所示的公式6计算目标的坐标信息：

式中，x、y、z表示目标的坐标信息，θ、φ、α分别表示目标的发射方位角、发射俯仰角以及接收俯仰角，L_b表示基线长度。

具体的，可通过如下所示的公式7计算目标的速度：

式中，v表示目标速度，f_d表示目标的多普勒频率。

对上述公式6的推导过程分析如下：

首先，建立双基MIMO雷达的几何构型，如图2所示。图中，点O为坐标系的原点，x轴正方向为正东，y轴正方向为正北，z轴垂直于xoy平面。以点O为圆心的均匀圆阵表示双基地MIMO雷达的发射阵列，且圆阵半径为r，模式数为M_c＝floor(2πr/λ)，阵元数为N_t＝2*M_c+1。双基地MIMO雷达的线阵均匀分布在x轴上，点A表示接收阵列的基准点，阵元数为N_r，阵元间距为d_r；点B表示雷达目标在三维坐标系xoyz中的空间位置，点C表示雷达目标在xoy平面的投影点，点D表示点C在x轴的投影点，OB与z轴正方向的夹角φ表示雷达目标相对于发射阵的俯仰角，OC与x轴正方向的夹角θ表示雷达目标相对于发射阵的方位角，BA与x轴负方向的夹角α表示雷达目标相对于接收阵的俯仰角，发射阵和接收阵之间的距离为基线，在这里取发射阵中心O到接收阵基准点A的距离，其长度为L_b。

继续参考图2，假设空间有一目标，相对于圆阵的俯仰角为φ，方位角为θ，γ为目标与圆心的连线与x轴正方向的夹角。目标相对于接收线阵的角度为α，发射阵到目标的距离为R_t，目标到接收阵的距离为R_r，则图中存在以下几何关系：

求解公式8的方程组，可得：

根据图2中的几何关系，可得目标的坐标可表示为：

进一步的，将公式9代入至公式10，即可将目标的角度信息转化为位置信息，得到公式6：

需要说明的是，根据公式6可以看出，目标的坐标(x，y，z)只与基线长度L_b、发射方位角θ、发射俯仰角φ以及接收俯仰角α有关，而与目标与发射阵和接收阵的距离和(R_t+R_r)无关，因此，基于本发明实施例提供的定位方法进行目标定位时，不要求雷达系统的发射端和接收端满足严格的时间同步。

现有技术中，高速运动目标的距离走动会使得回波积累时间内，目标能量分散到多个距离单元上，导致单个距离单元上的目标信号协方差矩阵的估计值与真实值相差较大，致使噪声和信号子空间的估计值发生畸变，最终导致目标参数估计精度较低。而本发明上述方案，不再依靠单个距离单元上的信息进行目标定位，而是采用跨距离门联合估计的思想，通过将同一目标所跨越的不同距离单元的回波脉冲压缩数据进行平均，以提高目标信号脉压信号的估计精度，因此能获得更为精确的闭式解，有效解决雷达目标存在距离走动所导致的目标参数估计精度低的问题，能够精确估计雷达目标分别相对于发射机的方位角和俯仰角以及相对于接收机的接收角，同时得到雷达目标的多普勒频率估计值，实现雷达目标 的精确定位。

以下通过仿真实验进一步说明本发明上述有益效果：

1、仿真参数设置

仿真实验采用Matlab语言编程实现，双基地MIMO雷达系统参数分别设置为：发射机和接收机之间的距离是8km.发射机为均匀圆阵，发射阵元数M＝20，其圆心坐标为(0，0，0)，接收机为均匀线阵，接收阵元数N＝10，阵元间距为半波长，其圆心坐标为(8000,0，0)；快拍次数为100，空间雷达目标个数为1。发射阵列各阵元发射相互正交的随机二相编码信号，码元宽度t＝5ns，单个脉冲内的相位编码长度K＝200，雷达载波频率为500MHz，脉冲重复周期数L＝200。目标的回波信噪比定义为判断目标是否跨越在某个距离单元的判决门限值ξ＝1°。雷达目标的参数设置为：发射方位角、发射俯仰角和接收俯仰角为(θ₁，φ₁，α₁)＝(54.46°，47.08°，5.37°)，实际的位置坐标为(10000,14000,16000)，目标的径向速度为1800m/s。

2、仿真内容及仿真结果分析

实验一：定义目标发射方位角估计的均方根误差为：其中，θ分别表示目标相对发射阵列方位角的估计值和实际值，目标发射俯仰角、接收俯仰角、位置以及速度的均方根误差的计算类似。在信噪比分别取[-20，-15，-10，-5，0，5，10](单位为dB)时，采用本发明实施例提供的方法对目标进行定位及测速，确定目标的角度信息以及速度信息，并根据所得的角度及速度信息计算角度估计均方根误差、速度估计均方根误差以及位置估计均方根误差，重复进行1000次Monte Carlo实验。

图3所示为目标的角度估计的均方根误差随SNR的变化示意图，图4所示为目标速度估计的均方根误差随SNR的变化示意图，图5所示为目标位置估计的均方根误差随SNR的变化示意图。观察图3-5，可以看出，本发明方法能对高速目标的三维方位角估计参数进行准确配对，实现对高速目标的准确定位，同时，角度估计精度、速度估计精度以及定位精度都随着信噪比的提高而提高。

实验二：在目标存在距离走动情况下，分别采用现有的测速定位方法以及本发明方法对目标进行定位和测速，以及，在目标不存在距离走动的情况下，采用现有的测速定位方法对目标进行定位和测速，计算三种情况下的角度估计均方根误差、速度估计均方根误差以及位置估计均方根误差以进行对比。

实验结果见图6和7，其中，图6为目标角度估计均方根误差对比图，图7为目标速度估计均方根误差对比图。对比本发明方法与现有技术中的测速定位方法的实验结果，可以发现，采用现有的测速定位方法估计高速目标角度和速度时其估计精度较低，其原因在于目标的距离走动使得目标能量分散在不同的距离单元上，而采用本发明方法的角度和速度的估计精度高于现有的测速定位方法，甚至接近现有的测速定位方法在不存在距离走动情况下的角度和速度估计精度。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种双基地MIMO雷达高速目标跨距离门测速定位方法，其特征在于，所述双基地MIMO雷达的发射机为包括M个阵元的均匀圆阵，接收机为包括N个阵元的均匀线阵，M和N为正整数，所述方法包括如下步骤：

步骤1，获取所述接收机接收到的L个基带回波脉冲信号，L为正整数；

步骤2，获取所述双基地MIMO雷达可探测的所有距离单元中的第z个距离单元上的参考信号，并利用所述第z个距离单元上的参考信号对所述L个基带回波脉冲信号中的第l个基带回波脉冲信号进行脉冲压缩处理，得到所述第l个基带回波脉冲信号在所述第z个距离单元上的脉压输出信号；利用全部L个基带回波脉冲信号在所述第z个距离单元上的脉压输出信号，得到所述第z个距离单元上的脉压输出组合信号；利用所述第z个距离单元上的脉压输出组合信号，估计得到所述第z个距离单元上的目标的发射方位角、发射俯仰角及接收俯仰角的粗估计值；其中，z取1到Z之间的所有整数值，Z为所述双基地MIMO雷达可探测的目标的最大跨越距离门数，l取1到L之间的所有整数值；

步骤3，对于起始距离单元上的P个目标中的每一目标，利用该目标的发射方位角、发射俯仰角及接收俯仰角的粗估计值以及所述第z个距离单元上的Q个目标的发射方位角、发射俯仰角及接收俯仰角的粗估计值，确定该目标跨越的距离单元数；其中，P为所述起始距离单元上的目标个数，Q为所述第z个距离单元上的目标个数，P和Q为正整数；

步骤4，对于所述起始距离单元上的P个目标中的每一目标，利用步骤3中得到的该目标所跨越的距离单元数，估计得到发射机发射的L个脉冲信号中的第m个脉冲信号所在的距离单元，并利用所述第m个脉冲信号所在的距离单元上的参考信号，对所述L个基带回波脉冲信号中对应的第m个基带回波脉冲信号进行脉冲压缩处理，得到所述第m个基带回波脉冲信号对应的脉压输出信号，进而根据全部L个基带回波脉冲信号对应的脉压输出信号，得到该目标对应的脉压输出信号，利用该目标对应的脉压输出信号估计得到该目标的发射方位角、发射俯仰角、接收俯仰角以及多普勒频率；其中，m取1到L之间的所有整数值；

步骤5，对于所述起始距离单元上的P个目标中的每一目标，利用步骤4中得到的该目标的发射方位角、发射俯仰角、接收俯仰角，确定该目标的坐标信息，以及，利用步骤4中得到的该目标的多普勒频率，确定该目标的速度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，所述利用全部L个基带回波脉冲信号在所述第z个距离单元上的脉压输出信号，得到所述第z个距离单元上的脉压输出组合信号，包括：

对于全部L个基带回波脉冲信号中的每一基带回波脉冲信号，对其在所述第z个距离单元上的脉压输出信号进行按列矢量化操作，得到对应的矢量化后的脉压输出信号；将全部L个基带回波脉冲信号对应的矢量化后的脉压输出信号，按对应的基带脉冲信号的顺序组合后，即得到所述第z个距离单元上的脉压输出组合信号；其中，所述第z个距离单元上的脉压输出组合信号的表达式为：y_z＝[y_1z，y_2z,…，y_lz，…，y_Lz]，y_z表示所述第z个距离单元上的脉压输出组合信号，y_lz表示L个基带回波脉冲信号中的第l个基带回波脉冲信号对应的矢量化后的脉压输出信号。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤3具体包括如下子步骤：

(3a)对于起始距离单元上的P个目标中的每一目标，判断其与所述第z个距离单元上的Q个目标中的任一目标是否满足预设的关系式：若满足，则确定该目标跨越在第z个距离单元上；其中，和分别表示所述第z个距离单元上的Q个目标中的某一目标的发射方位角、发射俯仰角以及接收俯仰角的粗估计值；和分别表示所述起始距离单元上的P个目标中某一目标的发射方位角、发射俯仰角及接收俯仰角的粗估计值；ξ表示判决门限；

(3b)对于起始距离单元上的P个目标中的每一目标，根据其所跨越的距离单元，累计得到该目标跨越的距离单元数。

4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述L个基带回波脉冲信号中的第l个基带回波脉冲信号的表达式为：

式中，S表示发射阵列的发射信号矩阵，ρ_p表示第p个目标的散射系数，z_pl表示第p个目标在发射机发射第l个脉冲信号时所跨越的距离单元数，a_r(α_p)表示接收阵列的导向矢量，α_p表示第p个目标的接收俯仰角，表示发射阵列导向矢量，θ_p表示第p个目标的发射方位角，表示第p个目标的发射俯仰角，f_dp表示第p个目标的多普勒频率；t_l表示第l个脉冲信号的慢时间，ω_l表示噪声矩阵；K表示单个脉冲的相位编码长度；(·)^T表示矢量或矩阵的转置；(·)^H表示矢量或矩阵的共轭转置；l＝1，2，…，L，k＝1，2，…，K。

5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，步骤2中，所述第l个基带回波脉冲信号在所述第z个距离单元上的脉压输出信号的表达式为：

式中，Y_lz表示第l个基带回波脉冲信号在第z个距离单元上的脉压输出信号，S_z表示第z个距离单元上的参考信号，C_z表示在发射机发射第l个脉冲信号时跨越的距离单元数为z的目标的集合，ρ_p表示第p个目标的散射系数，z_pl表示第p个目标在发射机发射第1个脉冲信号时所跨越的距离单元数，a_r(α_p)表示接收阵列的导向矢量，α_p表示第p个目标的接收俯仰角，表示发射阵列导向矢量，θ_p表示第p个目标的发射方位角，表示第p个目标的发射俯仰角，f_dp表示第p个目标的多普勒频率，t_l表示第l个脉冲信号的慢时间；ω_l表示噪声矩阵；K表示单个脉冲的相位编码长度；(·)^T表示矢量或矩阵的转置；(·)^H表示矢量或矩阵的共轭转置；l＝1，2，…，L。

6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，步骤4中，所述第m个基带回波脉冲信号对应的脉压输出信号的表达式为：

$y_{{\mathrm{mz}}_p}=\left\{\begin{array}{cc}{T}_{{\mathrm{mz}}_p}+Q_{{\mathrm{mz}}_p}+W_{{\mathrm{mz}}_p}^{\′},& m\∈\[L_{z_p\min },L_{z_p\max }\]\\ Q_{{\mathrm{mz}}_p}+W_{{\mathrm{mz}}_p}^{\′},& m\∈\[1,L_{z_p\min }\]\∪\[L_{z_p\max }+1,L\]\end{array}\right.,$

式中， vec(·)表示将矩阵按列矢量化，表示Kronecker积，表示第m个基带回波脉冲信号对应的脉压输出信号，z_p表示发射机发射的L个脉冲信号中的第m个脉冲信号所在的距离单元，表示第m个脉冲信号所在的距离单元上的参考信号，表示在距离单元z_p上目标的信号能量所在的起始脉冲的编号，表示在距离单元z_p上目标的信号能量所在的结尾脉冲的编号，C_z表示在发射机发射第m个脉冲信号时跨越的距离单元数为z的目标的集合，ρ_p表示第p个目标的散射系数，z_pm表示第p个目标在发射机发射第1个脉冲信号时所跨越的距离单元数，a_r(α_p)表示接收阵列的导向矢量，α_p表示第p个目标的接收俯仰角，表示发射阵列导向矢量，θ_p表示第p个目标的发射方位角，表示第p个目标的发射俯仰角，f_dp(t)表示第p个目标的多普勒频率，t_m表示第m个脉冲信号的慢时间；ω_m表示噪声矩阵；K表示单个脉冲的相位编码长度。