CN109901149B - 一种基于fda-mimo雷达的目标参数估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于雷达信号处理技术领域，公开了一种基于FDA‑MIMO雷达的目标参数估计方法。该方法包括如下步骤：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。通过设计使得各阵元频率增量满足sinc函数递增的关系，再进行角度、距离的估计，得到精确的目标角度和距离信息。本发明提供的方法能够解决发射波束在距离‑角度上的耦合性，并且能够在多目标的距离角度都不同时，较好的估计目标的距离角度，避免出现假目标的情况，以提升雷达的估计性能。

Description

一种基于FDA-MIMO雷达的目标参数估计方法

技术领域

本发明涉及雷达信号处理技术领域，尤其涉及一种基于 FDA-MIMO雷达的目标参数估计方法,可以用于FDA-MIMO体制雷达的参数估计。

背景技术

多输入多输出(英文全称：Multiple-Input Multiple-Output，英文缩写：MIMO)雷达能够根据不同的工作模式提供灵活的发射波束，然而与传统的相控阵类似，MIMO雷达的发射波束只与目标的角度有关，无法区分角度相同但距离不同的目标。此外，若存在角度相同而距离不同的干扰时，MIMO雷达的定位性能会受到很大影响。

频率分集阵列(英文全称：Frequency Diverse Array，英文缩写： FDA)的概念最早由Antonik和Wicks提出，这种阵列主要通过调节各阵元之间的载频差来实现新的系统功能。与传统相控阵不同，FDA的波束不仅具有方位角的依赖性，而且具有距离依赖性，因而能够填补传统相控阵波束没有距离指向分辨能力的不足，有效抑制距离依赖干扰。由于FDA的波束是与距离、角度和时间都相关的，及其发射波束是时变的，单纯的利用FDA并没有太大意义。

现有许多学者开始关注FDA-MIMO体制雷达，该体制雷达既能利用MIMO雷达的发射自由度，又能利用FDA雷达的距离维自由度，为解决新的问题提供了可能。但FDA-MIMO体制雷达的发射波束在距离 -角度上是耦和的，因此解决其耦和性是该体制雷达面临的主要问题。现有一些学者利用非线性频偏法来解决该问题，比如平方法、立方法、 log法等，在一定程度上这些方法达到了解决FDA-MIMO体制雷达发射波束的耦和，但是不同频偏法的目标发射波束会影响波束的使用性能，即雷达仅能较好的估计单目标参数或者同一角度下的多目标参数，当多目标的距离角度都不同时，就会出现假目标的情况，导致雷达的估计性能大大降低。

发明内容

本发明的实施例提供的一种基于FDA-MIMO雷达的目标参数估计方法，能够解决发射波束在距离-角度上的耦合性，并且能够在多目标的距离角度都不同时，较好的估计目标的距离角度，避免出现假目标的情况，以提升雷达的估计性能。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种基于FDA-MIMO雷达的目标参数估计方法，包括以下步骤：

步骤1，设定雷达发射端有M个发射阵元，接收端有N个接收阵元，相邻的发射阵元之间间距

相邻的接收阵元之间间距

目标距离发射端的参考距离为r，目标距离发射端的参考角度为θ；

其中，M＝N，λ为雷达发射信号的波长；

步骤2，设置参考频率增量△f，计算第m个发射阵元的发射信号的的频率增量和第m个发射阵元的发射信号的载频，m＝1,2,…,M；

步骤3，根据第m个发射阵元的载频，计算第m个发射阵元的发射信号；

步骤4，根据全部M个发射阵元的发射信号，计算每个接收阵元的接收到的目标回波信号，进一步得到全部N个接收阵元的接收到的目标回波信号矩阵；

步骤5，根据第m个发射阵元的发射信号，计算第m路匹配滤波函数；

步骤6，利用全部M路匹配滤波函数对全部N个接收阵元的接收到的目标回波信号矩阵进行匹配滤波，得到滤波后的回波数据矩阵Z；

步骤7，计算滤波后的回波数据矩阵Z的协方差矩阵，根据协方差矩阵，计算目标的角度和距离。

本发明提供的一种基于FDA-MIMO雷达的目标参数估计方法，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。通过设计使得各阵元频率增量满足sinc函数递增的关系，再利用Capon法进行角度、距离的估计，得到精确的目标角度和距离信息。本发明提供的方法能够解决发射波束在距离-角度上的耦合性，并且能够在多目标的距离角度都不同时，较好的估计目标的距离角度，避免出现假目标的情况，以提升雷达的估计性能。

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一种基于FDA-MIMO雷达的目标参数估计方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的方法的发射端频率增量设置图；

图3为本发明实施例提供的方法的发射波束形成图；

图4为现有方法的非线性频偏法的发射波束形成图；

图5为单目标情况下，本发明实施例提供的方法计算得到的距离和角度；图5(a)为距离估计结果图；图5(b)为角度估计结果；

图6为同一角度、多目标情况下，本发明实施例提供的方法计算得到的距离和角度；图6(a)为距离估计结果，图6(b)为多目标的角度估计结果；

图7为不同角度、不同距离且多目标情况下，本发明实施例提供的方法计算得到的距离和角度；图7(a)为距离估计结果图，图7(b) 为多目标的角度估计结果。

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。

图1为本发明实施例提供的一种基于FDA-MIMO雷达的目标参数估计方法的流程示意图，参照图1，本发明实施例提供的方法包括以下步骤：

步骤1，设定雷达发射端有M个发射阵元，接收端有N个接收阵元，相邻的发射阵元之间间距

相邻的接收阵元之间间距

目标距离发射端的参考距离为r，目标距离发射端的参考角度为θ；

其中，M＝N，λ为雷达发射信号的波长；

步骤2，设置参考频率增量△f，计算第m个发射阵元的发射信号的的频率增量和第m个发射阵元的发射信号的载频，m＝1,2,…,M；

进一步的，步骤2具体包括：

步骤2.1，计算第m个发射阵元的频率增量△f_m＝sinc((m-1)π/M)·△f；

步骤2.2，根据所述第m个发射阵元的频率增量△f_m，计算第m个发射阵元的发射信号的载频f_m＝f₀+△f_m＝f0+sinc((m-1)π/M)·△f；

其中，sinc为辛克函数，f₀为参考频率，△f＜＜f₀。

步骤3，根据第m个发射阵元的载频，计算第m个发射阵元的发射信号；

进一步的，在步骤3中，利用预设公式计算第m个发射阵元的发射信号s_m(t)，预设公式为：

其中，E为FDA-MIMO雷达发射端阵元发射信号的总功率，

为第m个发射阵元的发射信号对应的基带调制信号，j为虚数单位，f_m为第m个发射阵元的发射信号的载频，0≤t≤T，T为发射信号脉冲持续时间。

步骤4，根据全部M个发射阵元的发射信号，计算每个接收阵元的接收到的目标回波信号，进一步得到全部N个接收阵元的接收到的目标回波信号矩阵；

进一步的，步骤4具体包括：

步骤4.1，计算第n个接收阵元接收到的所述第m个发射阵元的发射信号的目标回波对应的时间延迟

其中，n＝1,2,…,N，m＝1,2,…,M，c为光速，r为目标距离发射端的参考距离，相邻的发射阵元之间间距

步骤4.2，计算第n个接收阵元接收到目标的回波信号

其中，ρ为目标的复散射系数，

为第m个发射阵元的发射信号对应的基带调制信号，f_m为第m个发射阵元的发射信号的载频，0≤t≤T，T 为发射信号脉冲持续时间；

步骤4.3，计算全部N个接收阵元的接收到的目标回波信号矩阵 y＝[y₁,y₂,…,y_n,…,y_N]^T。

步骤5，根据第m个发射阵元的发射信号，计算第m路匹配滤波函数；

优选的，在步骤5中，计算第m路匹配滤波函数具体包括：

根据公式

计算第m路匹配滤波函数；

其中，h_m(t)表示第m路匹配滤波函数，f_m为第m个发射阵元的发射信号的载频，c为光速，r为目标距离发射端的参考距离，

为第m 个发射阵元的发射信号对应的基带调制信号，(·)^*表示复共轭操作符， 0≤t≤T，T为发射信号脉冲持续时间。

步骤6，利用全部M路匹配滤波函数对全部N个接收阵元的接收到的目标回波信号矩阵进行匹配滤波，得到滤波后的回波数据矩阵Z；

优选的，步骤6具体包括：

根据公式

计算得到滤波后的回波数据矢量Z；

其中，y＝[y₁,y₂,…,y_n,…,y_N]^T，h(t)＝[h₁(t),h₂(t),…,h_m(t),…,h_M(t)]^T，[·]^T为转置操作符，

为发射导向矢量，

为接收导向矢量，

为回波系数，λ₀＝c/f₀为参考波长，c为光速。

步骤7，计算滤波后的回波数据矩阵Z的协方差矩阵，根据协方差矩阵，计算目标的角度和距离。

进一步的，步骤7具体包括：

步骤7.1，计算滤波后的回波数据矢量Z的协方差矩阵R＝E{ZZ^H}；

其中，(·)^H表示共轭转置，E{·}表示求期望值；

步骤7.2，根据协方差矩阵R，计算目标的角度

和距离

其中，

a(θ,r)为发射导向矢量，且a(θ,r)∈C^M×1， b(θ)为接收导向矢量，且b(θ)∈C^N×1，(·)^-1表示求矩阵的逆，

表示求使得i最大时θ的值，

表示求使得·最大时r的值，arg{·}表示满足·时的变量值。

需要说明的是，根据协方差矩阵R，计算目标的角度

和距离

时，采用的是Capon功率谱估计算法

本发明提供的一种基于FDA-MIMO雷达的目标参数估计方法，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。通过设计使得各阵元频率增量满足sinc函数递增的关系，再利用Capon法进行角度、距离的估计，得到精确的目标角度和距离信息。本发明提供的方法能够解决发射波束在距离-角度上的耦合性，并且能够在多目标的距离角度都不同时，较好的估计目标的距离角度，避免出现假目标的情况，以提升雷达的估计性能。

进一步的，以下通过仿真实验来对本发明上述有益效果进行验证。

1.仿真参数：

本发明实施例提供的方法的仿真参数设置如表1所示。

表1

参数	参数值	参数	参数值
				阵元个数	16	参考频率增量△f(KHz)	70
脉冲重复频率	50000	阵元间距d(m)	0.015
				参考载频(GHz)	10

2.仿真内容：

图3为本发明实施例提供的方法中发射端个阵元对应的频率增量设置图，如图所示个阵元的频率增量变化趋势符合sinc函数形状。

图4是t＝0us时本发明实施例提供的方法的发射天线方向图，图5 是t＝0us时基于log频偏法的发射天线方向图。图4中的发射波束宽度类似一个圆点，波束能量集中在目标附近，图5中的发射波束宽度呈椭圆状，由图4和图5对比可以看出，相对而言图4的发射波束要窄的多，在进行位置比较近的多目标识别的时候更具优势。

图6为3个同一角度的情况下，本发明实施例提供的方法的目标信息估计结果，其中，目标1的距离为28km，角度为0°；目标2的距离为30km，角度为0°；目标3的距离为32km，角度为0°：图6(a) 为距离估计结果，图中有三个峰值，对应的距离分别为(28 30 32)km，与目标的真实距离分布一致；图6(b)为多目标的角度估计结果，图中只有一个峰值，对应的角度为0°，由于三个目标的真实角度相同，所以角度维无法区分出来。由此可以说明在解决传统FDA-MIMO雷达距离模糊的前提下，基于sinc频偏的FDA-MIMO体制雷达能够准确实现同一角度下的多目标的无模糊定位。

图7为3个不同角度、不同距离的情况下，本发明实施例提供的方法的目标信息估计结果，其中，目标1的距离为28km，角度为0°；目标2的距离为32km，角度为30°；目标3的距离为37km，角度为45°：图7(a)为距离估计结果图，图中对应的三个距离峰值分别为(283237.1)km；与目标的真实距离分布一致；图7(b)为多目标的角度估计结果，图中对应的三个角度峰值分别为(0°，30°，45°)，与目标的真实角度分布一致。由此可以看出，本发明提供的方法具有较好的距离、角度分辨率，能够在目标分布情况未知的情况下实现多目标参数的无模糊估计。

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)

1.一种基于FDA-MIMO雷达的目标参数估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，设定雷达发射端有M个发射阵元，接收端有N个接收阵元，相邻的发射阵元之间间距

相邻的接收阵元之间间距

目标距离发射端的参考距离为r，目标距离发射端的参考角度为θ；

其中，M＝N，λ为雷达发射信号的波长；

步骤2，设置参考频率增量△f，计算第m个发射阵元的发射信号的频率增量和第m个发射阵元的发射信号的载频，m＝1,2,...,M；

所述步骤2具体包括：

步骤2.1，计算第m个发射阵元的频率增量△f_m＝sinc((m-1)π/M)·△f；

步骤2.2，根据所述第m个发射阵元的频率增量△f_m，计算第m个发射阵元的发射信号的载频f_m＝f₀+△f_m＝f₀+sinc((m-1)π/M)·△f；

其中，sin c为辛克函数，f₀为参考频率，△f＜＜f₀；

步骤3，根据第m个发射阵元的载频，计算第m个发射阵元的发射信号；

步骤4，根据全部M个发射阵元的发射信号，计算每个接收阵元的接收到的目标回波信号，进一步得到全部N个接收阵元的接收到的目标回波信号矩阵；

步骤5，根据所述第m个发射阵元的发射信号，计算第m路匹配滤波函数；

步骤6，利用所述全部M路匹配滤波函数对所述全部N个接收阵元的接收到的目标回波信号矩阵进行匹配滤波，得到滤波后的回波数据矩阵Z；

步骤7，计算所述滤波后的回波数据矩阵Z的协方差矩阵，根据所述协方差矩阵，计算目标的角度和距离。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，利用预设公式计算所述第m个发射阵元的发射信号s_m(t)，所述预设公式为：

其中，E为FDA-MIMO雷达发射端阵元发射信号的总功率，

为第m个发射阵元的发射信号对应的基带调制信号，j为虚数单位，f_m为第m个发射阵元的发射信号的载频，0≤t≤T，T为发射信号脉冲持续时间。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：

步骤4.1，计算第n个接收阵元接收到的所述第m个发射阵元的发射信号的目标回波对应的时间延迟

其中，n＝1,2,…,N，m＝1,2,…,M，c为光速，r为目标距离发射端的参考距离，相邻的发射阵元之间间距

步骤4.2，计算第n个接收阵元接收到目标的回波信号

其中，ρ为目标的复散射系数，

为第m个发射阵元的发射信号对应的基带调制信号，f_m为第m个发射阵元的发射信号的载频，0≤t≤T，T为发射信号脉冲持续时间；

步骤4.3，计算全部N个接收阵元的接收到的目标回波信号矩阵y＝[y₁,y₂,…,y_n,…,y_N]^T。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5中，所述计算第m路匹配滤波函数具体包括：

根据公式

计算第m路匹配滤波函数；

其中，h_m(t)表示第m路匹配滤波函数，f_m为第m个发射阵元的发射信号的载频，c为光速，r为目标距离发射端的参考距离，

为第m个发射阵元的发射信号对应的基带调制信号，(·)^*表示复共轭操作符，0≤t≤T，T为发射信号脉冲持续时间。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤6具体包括：

根据公式

计算得到所述滤波后的回波数据矢量Z；

其中，y＝[y₁,y₂,…,y_n,…,y_N]^T，h(t)＝[h₁(t),h₂(t),…,h_m(t),…,h_M(t)]^T，[·]^T为转置操作符，

为发射导向矢量，

为接收导向矢量，

为回波系数，λ₀＝c/f₀为参考波长，c为光速；ρ为目标的复散射系数，f_m表示第m个发射阵元的发射信号的载频，△f_m表示第m个发射阵元的频率增量。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤7具体包括：

步骤7.1，计算所述滤波后的回波数据矢量Z的协方差矩阵R＝E{ZZ^H}；

其中，(·)^H表示共轭转置，E{·}表示求期望值；

步骤7.2，根据所述协方差矩阵R，计算目标的角度

和距离

其中，

a(θ,r)为发射导向矢量，且a(θ,r)∈C^M×1，b(θ)为接收导向矢量，且b(θ)∈C^N×1，(·)^-1表示求矩阵的逆，

表示求使得·最大时θ的值，

表示求使得·最大时r的值，arg{·}表示满足·时的变量值。

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