CN108196239B - 一种频率分集mimo雷达的无模糊参数估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于雷达信号处理领域，公开了一种频率分集MIMO雷达的无模糊参数估计方法，包括：分析影响传统频率分集MIMO雷达形成距离‑角度强耦合方向图的频率增量和阵元间距的关系，设计合理的非线性递增的频率增量；通过发射一个频率增量为0的脉冲，并进行Capon谱估计，得到目标的角度信息；再发射一个带有非线性递增的频率增量的脉冲，并将估计的角度信息代入整个处理过程中，结合Capon谱估计得到目标的距离信息。本方法不但解决了频率分集MIMO雷达发射方向图的距离‑角度的强耦合问题，而且实现了目标的角度和无模糊距离估计，进一步实现了目标的精准定位。

Description

一种频率分集MIMO雷达的无模糊参数估计方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理技术领域，尤其涉及一种频率分集MIMO雷达的无模糊参数估计方法，可用于频率分集MIMO雷达方向图距离角度解耦和，获得无模糊的目标参数估计。

背景技术

频率分集阵列是近十年来提出的一种更灵活的新体制阵列雷达技术。现有关于自适应雷达和认知雷达的文献往往都是采用单天线或相控阵作接收机。

而基于相控阵的接收波束形成方法只能提供目标的方位角信息，并不能估计目标的距离信息。频率分集阵列雷达在各天线阵元间引入一个频率增量，获得距离角度依赖波形，引入一个额外的距离维自由度。MIMO雷达可以将发射端信息虚拟到接收端，从而得到发射-接收二维虚拟导向矢量。将MIMO技巧应用于频率分集阵列雷达，从而联合发射端距离角度的二维依赖特性和接收端的角度依赖特性，形成灵活的发射方向图。虽然频率分集阵列发射波束能够提供目标距离信息，但是由于其距离和角度的耦合特性，距离模糊的问题仍待解决。传统的参数估计方法不能直接得到无模糊的目标距离信息，从而限制了对目标的精准定位。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种频率分集MIMO雷达的无模糊参数估计方法，能够得到准确的目标距离信息，进一步提高目标的精准定位。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

一种频率分集MIMO雷达的无模糊参数估计方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1，确定频率分集MIMO雷达由M个发射阵元和N个接收阵元组成，且在所述频率分集MIMO雷达的空间远场存在点目标；

步骤2，设定频率分集MIMO雷达的M个发射阵元发射频率增量为零的发射信号，并获取频率分集MIMO雷达的N个接收阵元获得的第一接收数据；

步骤3，根据所述第一接收数据得到第一接收数据的协方差矩阵，从而计算得到点目标的目标角度估计值；

步骤4，设定频率分集MIMO雷达的M个发射阵元发射频率增量非线性递增的发射信号，并获取频率分集MIMO雷达的N个接收阵元获得的第二接收数据；

步骤5，根据所述第二接收数据得到第二接收数据的协方差矩阵，以及所述点目标的目标角度估计值，计算得到点目标的目标距离估计值。

本发明提供的一种频率分集MIMO雷达的无模糊参数估计方法，解决波束的距离角度耦合问题，从而估计出无模糊的目标距离信息。通过对导致波束耦合的频率增量和阵元间距进行设计，打破它们之间线性递增的同步性，达到解耦和的效果，为目标距离角度的唯一估计提供了条件。通过分别发射两个不同的脉冲，其中一个脉冲的频率增量设定为零，另一个脉冲的各阵元频率增量满足非线性递增的关系。分别对两脉冲利用Capon法进行角度、距离的估计，得到精确的目标角度距离信息。

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频率分集MIMO雷达系统的几何结构示意图；

图2为本发明实施例提供的频率分集MIMO雷达的无模糊参数估计方法的流程图；

图3a为本发明实施例提供的传统频率分集MIMO雷达得到的发射方向图；

图3b为本发明实施例提供的频率分集MIMO雷达系统的发射方向图；

图4a为本发明实施例提供的传统频率分集MIMO雷达，结合双脉冲方法处理得到的目标距离、角度功率谱；

图4b为本发明实施例提供的频率分集MIMO雷达，结合双脉冲方法处理得到的目标距离、角度功率谱；

图5为本发明实施例提供的传统频率分集MIMO雷达和本发明的频率分集MIMO雷达参数估计对比图。

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。

基于频率分集MIMO几何模型，分析影响发射方向图发生耦合的因子为：频率增量和阵元间距。

本发明实施例中，图1所示为一个由M个发射天线和N个接收天线构成的频率分集MIMO雷达系统的几何模型。每个天线阵元之间的间距相同，均为d。以第一个天线阵元作为参考阵元，其发射频率为f₀。考虑传统的频率分集MIMO雷达，第m号阵元的发射载频可以表示为：

f_m＝f₀+mΔf，m＝0，1，…M-1

其中，Δf为阵元间的频率增量。这里需要注意的是，该频率增量需远小于参考频率。

考虑空间远场点目标(θ，r)，第一个阵元对应的相位为：

同理，第m个阵元对应的相位可表示为：

则第m个阵元与参考阵元间的相位差可以表示为：

考虑到(M-1)Δf＜＜f₀，那么上式中的二次项可以被忽略不计。

为了使波束指向特定的目标点，会在发射端进行加权，在这里假设发射权矢量为全1的矢量，忽略相位因子，则频率分集阵列的发射方向图可以表示为：

考虑到需要满足方向图取最大值，则必须有：

其中，k为整数。由于频率增量和阵元间距的同步线性变化，频率分集MIMO雷达发射方向图在距离角度域发生耦合。如果可以破坏掉这个同步性，频率分集MIMO雷达就能够形成无耦合的距离-角度方向图。

本发明实施例对得到的影响因子进行设计，得到解耦和的效果。

对于上述结论有三种解决方案，(1)设计非线性递增的频率增量和等距线阵，(2)设计线性递增的频率增量和非等距线阵，(3)设计非线性递增的频率增量和非等距线阵。本发明实施例中采用的是解决方案(1)来设计频率分集MIMO雷达系统。

本发明实施例提供一种频率分集MIMO雷达的无模糊参数估计方法，如图2所示，所述方法包括如下步骤：

步骤1，确定频率分集MIMO雷达由M个发射阵元和N个接收阵元组成，且在所述频率分集MIMO雷达的空间远场存在点目标。

步骤2，设定频率分集MIMO雷达的M个发射阵元发射频率增量为零的发射信号，并获取频率分集MIMO雷达的N个接收阵元获得的第一接收数据。

步骤2具体包括如下子步骤：

(2a)频率分集MIMO雷达的M个发射阵元中第m个发射阵元的发射信号s_m(t)为：

其中，E为频率分集MIMO雷达的M个发射阵元发射信号的总功率，M为频率分集MIMO雷达的发射阵元的总个数，

为第m个发射阵元的发射信号包络，且所述第m个发射阵元的发射信号包络满足正交性，f₀为发射信号频率，T为发射信号脉冲持续时间；

所述第m个发射阵元的发射信号包络满足正交性，即有：

(2b)频率分集MIMO雷达的第n个接收阵元接收的第m个发射阵元发射的信号y_n，m为：

其中，

ξ为点目标的散射系数，r为点目标的目标距离，d为发射阵元间距和接收阵元间距，θ为点目标的目标角度，c为光速；

(2c)从而频率分集MIMO雷达的N个接收阵元获得的第一接收数据的矢量形式Y为：

其中，N为噪声矢量，且N∈C^NM×1，Y∈C^NM×1，C^NM×1表示NM×1维复矢量，

为克罗内克积，

其中，a(θ)∈C^M×1为第一发射导向矢量，并且有

b(θ)∈C^N×1为第一接收导向矢量，并且有

步骤3，根据所述第一接收数据得到第一接收数据的协方差矩阵，从而计算得到点目标的目标角度估计值。

步骤3具体包括如下子步骤：

(3a)根据频率分集MIMO雷达的N个接收阵元获得的第一接收数据，得到第一接收数据的协方差矩阵

其中，Y为频率分集MIMO雷达的N个接收阵元获得的第一接收数据的矢量形式；

(3b)根据所述第一接收数据的协方差矩阵以及Capon功率谱估计，得到点目标的目标角度估计值

其中，

a(θ)为第一发射导向矢量，且a(θ)∈C^M×1，b(θ)为第一接收导向矢量，且b(θ)∈C^N×1，上标H表示共轭转置，上标-1表示求矩阵的逆，

表示求使得·最大时θ的值，arg{·}表示满足·时的变量值。

步骤4，设定频率分集MIMO雷达的M个发射阵元发射频率增量非线性递增的发射信号，并获取频率分集MIMO雷达的N个接收阵元获得的第二接收数据。

步骤4具体包括如下子步骤：

(4a)设定频率分集MIMO雷达的M个发射阵元发射频率增量非线性递增的发射信号，且第m个阵元对应的频率增量Δf_m＝(b^m-1)Δf；其中，Δf为参考频率增量，b为大于1的常数；

(4b)频率分集MIMO雷达的第n个接收阵元接收的第m个发射阵元发射的信号y′_n，m为：

其中，

ξ为点目标的散射系数，f₀′为第一个发射阵元的发射信号频率，r为点目标的目标距离，d为发射阵元间距和接收阵元间距，

为点目标的目标角度估计值，c为光速；

(4c)从而频率分集MIMO雷达的N个接收阵元获得的第二接收数据的矢量形式Y′为：

其中，N为噪声矢量，且N∈C^NM×1，Y′∈C^NM×1，C^NM×1表示NM×1维复矢量，

为克罗内克积，

其中，

为第二发射导向矢量，且

为第二接收导向矢量，并且有

步骤5，根据所述第二接收数据得到第二接收数据的协方差矩阵，以及所述点目标的目标角度估计值，计算得到点目标的目标距离估计值。

步骤5具体包括如下子步骤：

(5a)根据频率分集MIMO雷达的N个接收阵元获得的第二接收数据，得到第二接收数据的协方差矩阵

其中，Y′为频率分集MIMO雷达的N个接收阵元获得的第二接收数据的矢量形式；

(5b)根据所述第二接收数据的协方差矩阵以及Capon功率谱估计，得到点目标的目标距离估计值

其中，

为第二发射导向矢量，且

为第二接收导向矢量，且

上标H表示共轭转置，上标-1表示求矩阵的逆，

表示求使得·最大时r的值，arg{·}表示满足·时的变量值。

本发明的效果可以通过以下对仿真数据的处理来说明：

频率分集MIMO雷达系统的几何结构示意图如图1所示，系统参数如表1所示。

表1频率分集MIMO雷达系统参数

参照图3(a)，为传统频率分集MIMO雷达系统的发射方向图。参照图3(b)，为本发明设计的频率分集MIMO雷达系统的发射方向图。可以看出由传统频率分集MIMO雷达系统得到的距离角度二维发射方向图，在固定角度处对应多个距离位置，无法进行目标距离的准确估计。而由本发明得到的距离角度二维发射方向图，固定角度处可得到唯一的距离位置，很好的解决了距离角度耦合的问题。

参照图4(a)，为仿真实验中传统频率分集MIMO雷达发射两个脉冲，结合Capon谱估计得到的目标距离和角度的功率谱。参照图4(b)，为仿真实验中本发明所提频率分集MIMO雷达发射两个脉冲，结合Capon谱估计得到的目标距离和角度的功率谱，经过所提频率分集MIMO雷达发射双脉冲的谱估计处理，得到了无模糊的目标距离信息。

参照图5，为仿真实验中传统频率分集MIMO雷达和本发明所提频率分集MIMO雷达，发射两个脉冲，结合Capon谱估计分别得到的距离、角度功率谱(虚线为传统频率分集MIMO雷达，实线为本发明所提频率分集MIMO雷达)。可以看出由两个雷达系统估计得到相同的目标角度，但是本发明所提的频率分集MIMO雷达能够估计出无模糊更准确的目标距离信息。

综上所述，本发明通过设计非线性递增的频率增量，解决了距离和角度的强耦合问题，为实现目标距离的解模糊提供了条件。进一步通过发射两个脉冲，结合Capon谱估计方法得到目标的角度和无模糊的距离信息，实现了目标的精准定位。

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 (2)

1.一种频率分集MIMO雷达的无模糊参数估计方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1，确定频率分集MIMO雷达由M个发射阵元和N个接收阵元组成，且在所述频率分集MIMO雷达的检测空间存在点目标；

步骤2，设定频率分集MIMO雷达的M个发射阵元发射频率增量为零的发射信号，并获取频率分集MIMO雷达的N个接收阵元获得的第一接收数据；

步骤3，根据所述第一接收数据得到第一接收数据的协方差矩阵，从而计算得到点目标的目标角度估计值；具体包括如下子步骤：

(3a)根据频率分集MIMO雷达的N个接收阵元获得的第一接收数据，得到第一接收数据的协方差矩阵

其中，Y为频率分集MIMO雷达的N个接收阵元获得的第一接收数据的矢量形式，

表示定义为；

(3b)根据所述第一接收数据的协方差矩阵以及Capon功率谱估计算法，得到点目标的目标角度估计值

其中，

a(θ)为第一发射导向矢量，且a(θ)∈C^M×1，b(θ)为第一接收导向矢量，且b(θ)∈C^N×1，上标H表示共轭转置，上标-1表示求矩阵的逆，

表示求使得·最大时θ的值，arg{·}表示满足·时的变量值；

步骤4，设定频率分集MIMO雷达的M个发射阵元发射频率增量非线性递增的发射信号，并获取频率分集MIMO雷达的N个接收阵元获得的第二接收数据；具体包括如下子步骤：

(4a)设定频率分集MIMO雷达的M个发射阵元发射频率增量非线性递增的发射信号，且第m个阵元对应的频率增量△fm＝(b^m-1)△f；其中，△f为参考频率增量，b为大于1的常数；

(4b)频率分集MIMO雷达的第n个接收阵元接收的第m个发射阵元发射的信号y′_n,m为：

其中，ξ为点目标的散射系数，f′₀为第一个发射阵元的发射信号频率，r为点目标的目标距离，d为发射阵元间距和接收阵元间距，

为点目标的目标角度估计值，c为光速；

(4c)从而频率分集MIMO雷达的N个接收阵元获得的第二接收数据的矢量形式Y′为：

其中，N为噪声矢量，且N∈C^NM×1，Y′∈C^NM×1，C^NM×1表示NM×1维复矢量，

为克罗内克积，

为第二发射导向矢量，且

为第二接收导向矢量，并且有

步骤5，根据所述第二接收数据得到第二接收数据的协方差矩阵，以及所述点目标的目标角度估计值，计算得到点目标的目标距离估计值；具体包括如下子步骤：

(5a)根据频率分集MIMO雷达的N个接收阵元获得的第二接收数据，得到第二接收数据的协方差矩阵

其中，Y′为频率分集MIMO雷达的N个接收阵元获得的第二接收数据的矢量形式；

(5b)根据所述第二接收数据的协方差矩阵以及Capon功率谱估计，得到点目标的目标距离估计值

其中，

为第二发射导向矢量，且

为第二接收导向矢量，且

上标H表示共轭转置，上标-1表示求矩阵的逆，

表示求使得·最大时r的值，arg{·}表示满足·时的变量值。

2.根据权利要求1所述的一种频率分集MIMO雷达的无模糊参数估计方法，其特征在于，步骤2具体包括如下子步骤：

(2a)频率分集MIMO雷达的M个发射阵元中第m个发射阵元的发射信号s_m(t)为：

其中，E为频率分集MIMO雷达的M个发射阵元发射信号的总功率，M为频率分集MIMO雷达的发射阵元的总个数，

为第m个发射阵元的发射信号包络，且所述第m个发射阵元的发射信号包络满足正交性，f0为发射信号频率，T为发射信号脉冲持续时间；

(2b)频率分集MIMO雷达的第n个接收阵元接收的第m个发射阵元发射的信号yn,m为：

其中，

ξ为点目标的散射系数，r为点目标的目标距离，d为发射阵元间距和接收阵元间距，θ为点目标的目标角度，c为光速；

(2c)从而频率分集MIMO雷达的N个接收阵元获得的第一接收数据的矢量形式Y为：

其中，N为噪声矢量，且N∈C^NM×1，Y∈C^NM×1，C^NM×1表示NM×1维复矢量，

为克罗内克积，

a(θ)∈C^M×1为第一发射导向矢量，C^M×1表示M×1维复矢量，并且有

b(θ)∈C^N×1为第一接收导向矢量，C^N×1表示N×1维复矢量，并且有

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