一種雙基地mimo雷達高速高機動目標的角度估計方法
【專利摘要】本發明公開了雙基地MIMO雷達高速高機動目標的角度估計方法，包括雙基地MIMO雷達的接收陣列接收高速高機動目標的回波信號；接收陣列回波與位于不同距離單元上的發射信號進行共軛相乘；對共軛相乘后數據依次在快時間域和慢時間域進行傅立葉變換；根據步驟3中的峰值估計出目標速度；在快時間頻率域沿目標多普勒頻率值提取在不同分離通道中的目標慢時間頻域分量；通過不同距離門上的目標頻域數據的拼接實現跨多個距離門形成虛擬陣列數據；利用超分辨算法估計出各目標發射角和接收角。能夠避免目標的高速高機動運動對MIMO雷達通道分離的影響，實現跨多個距離門形成有效的虛擬陣列，解決了高速高機動目標下的雙基地MIMO雷達的目標角度參數估計問題。
【專利說明】一種雙基地MI MO雷達高速高機動目標的角度估計方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及多輸入多輸出雷達系統的應用領域，特別涉及一種雙基地MIMO雷達高速高機動目標的角度估計方法。
【背景技術】
[0002]收發分置的雙基地雷達有較強的抗反輻射導彈、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)技術應用于雙基地雷達中，能夠解決傳統雙基地雷達中收發空間波束同步的問題。因此雙基地MMO雷達有著廣泛的應用前景，其目標檢測和參數估計已成為雷達領域的一個研究熱點。雙基地MMO雷達的發射陣列發射相互正交的信號，而相距較遠的接收陣列能夠利用發射信號的正交性通過匹配濾波方法形成虛擬陣列，然后利用傳統超分辨角度估計算法可從虛擬陣列中估計出目標的發射角(Direction Of Departure, D0D)和接收角(Direction OfArrival，D0A)，從而實現空間多個目標的無模糊交叉定位。
[0003]現代雷達不僅在防空領域中面臨著高速飛行導彈和戰斗機的威脅，而且在航天領域中也需要實時監視天空軌道目標，因此高速高機動目標是現代雷達目標探測中面臨的新問題。雖然，雙基地MMO雷達的DOD和DOA聯合估計算法已被廣泛研究，并涌現出一些行之有效的算法，但是大部分算法未考慮目標的高速運動對目標角度估計的影響。在雙基地MIMO雷達中，虛擬陣列的有效形成和回波的信號長時間積累是目標角度估計的關鍵。由于高速運動目標產生的大多普勒頻率在匹配濾波時間內對發射信號的調制不能忽略，出現回波信號嚴重失真現象，使得匹配濾波嚴重失配，從而導致MIMO雷達無法有效形成虛擬陣列，致使傳統的超分辨算法難以完成目標角度估計。同時，高速運動目標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，即目標能量分散在多個距離單元上，因此，MIMO雷達利用傳統超分辨算法估計目標角度時，必須先將目標能量聚焦在單個距離單元上，否則會影響目標的角度估計精度。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變換是一種雷達中常用的距離校正技術，它通過慢時間軸的尺度變換使得目標回波包絡能夠在長回波積累時間內對齊，由于在低信噪比情況下仍能保留回波相位關系，因此適用于微弱高速目標檢測。然而Keystone變換在目標出現多普勒模糊時會失效，但是在雷達信號的低重復頻率限制下目標高速運動必然會導致多普勒模糊，并且Keystone變換也無法校正由高速高機動目標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算來實現，因此其運算量較大。秦國棟在電子學報期刊2010年第38卷第12期的2763頁至2768頁將級聯Keystone變換應用于多載頻MMO雷達高速目標的多維參數估計中，為了避免Keystone變換失效，該方法先對高速運動目標的多普勒模糊數進行搜索估計，然后分別利用Keystone變換對回波距離走動以及由于發射載頻不同而在各個分離通道中引起的多普勒頻率差進行校正，從而解決MMO雷達對高速運動目標多維參數的聯合估計。然而由高機動目標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，這會導致多載頻MMO雷達的虛擬陣列無法有效形成。陳金立在電子與信息學報2013年第35卷第4期的859頁至864頁提出一種雙基地MMO雷達高速運動目標DOD和DOA的方法，為了使分散在不同距離單元的目標信號進行有效累加，該方法把分散在不同距離單元上的目標匹配濾波輸出數據的采樣協方差矩陣進行平均，通過提高協方差矩陣的估計精度來提高目標角度的估計精度。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雷達形成的虛擬陣列的性能不能達到最優。
【發明內容】
[0004]為解決上述問題，本發明公開了一種雙基地MMO雷達高速高機動目標的角度估計方法。
[0005]為達到上述目的，本發明采用的方法是：一種雙基地MMO雷達高速高機動目標的角度估計方法，包括如下步驟：
[0006](I)、通過雙基地MMO雷達的接收陣列接收高速高機動目標的回波信號；
[0007](2)、接收陣列回波與位于不同距離單元上的發射信號進行共軛相乘；
[0008](3)、對共軛相乘后數據依次在快時間域和慢時間域進行傅立葉變換；
[0009](4)、根據步驟3處理結果中的峰值估計出目標速度；
[0010](5)、在快時間頻率域沿目標多普勒頻率值提取在不同分離通道中的目標慢時間頻域分量；
[0011](6)、通過不同距離門上的目標頻域數據的拼接，實現跨多個距離門形成虛擬陣列數據；
[0012](7)、利用超分辨算法估計出各目標發射角和接收角。
[0013]有益效果：
[0014]本發明公開的一種雙基地MIMO雷達高速高機動目標的角度估計方法，與現有技術相比具有如下優點：
[0015](I)目標的高速高機動運動導致傳統匹配濾波器嚴重失配，因此雙基地MMO雷達無法有效形成虛擬陣列，從而使得傳統超分辨方法難以完成目標發射角和接收的有效估計，本發明方法通過對接收陣列回波與發射信號的共軛相乘后數據進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頻域分量，以避免了目標的高速高機動運動對MIMO雷達通道分離的影響，使得虛擬陣列得以有效形成。
[0016](2)本發明通過對分散在多個距離單元的目標頻域分量進行重新拼接，從而在目標角度估計時能夠對不同距離單元上的目標能量進行有效積累，以提高目標DOD和DOA的估計精度，而且其運算量比現有距離走動校正方法低得多，有利于工程實現。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖I為本發明實現流程圖；
[0018]圖2為本發明的雙基地MMO雷達結構示意圖；
[0019]圖3為本發明對接收陣列回波與不同距離單元上發射信號共軛相乘后的數據進行二維傅立葉變換處理結果圖；[0020]圖4為利用傳統算法(ESPRIT算法)估計高速目標角度的星座圖；
[0021]圖5為利用本發明算法估計高速目標角度的星座圖；
[0022]圖6為目標I的角度估計RMSE與信噪比SNR的關系圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖和【具體實施方式】，進一步闡明本發明，應理解下述【具體實施方式】僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。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”和“外”分別指的是朝向或遠離特定部件幾何中心的方向。
[0024]本發明的一種雙基地MIMO雷達高速高機動目標的角度估計方法包括以下步驟:
[0025]步驟I，通過雙基地MMO雷達的接收陣列接收高速高機動目標的回波信號。
[0026]假設雙基地MIMO雷達發射陣列和接收陣列均采用等距均勻線陣，分別由M個發射陣元和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個發射陣元發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表示矢量轉置山=IT為慢時間，其中T為雷達信號的重復周期；i = t + lT,其中t為快時間,O≤t < T ; 為第m個發射陣元的發射信號。
[0029]假設在相同起始距離分辨單元上存在P個高速高機動目標，其發射角(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)個目標的空間位置。P個目標作勻加速直線運動，令Vp = vtp+vrp和ap = atp+an)為第P目標的“徑向速度和”以及“徑向加速度和”，Vtp和％為第P個目標相對于發射陣列和接收陣列的徑向速度，atp和aip為第P個目標相對于發射陣列和接收陣列的徑向加速度。高速目標在回波信號積累時間內所移動的距離遠小于其離發射陣列和接收陣列的距離，因此目標DOA和DOD在回波積累時間內發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
【權利要求】
1. 一種雙基地MIMO雷達高速高機動目標的角度估計方法，其特征在于：包括如下步驟： (1)、通過雙基地MIMO雷達的接收陣列接收高速高機動目標的回波信號； (2)、接收陣列回波與位于不同距離單元上的發射信號進行共軛相乘； (3)、對共軛相乘后數據依次在快時間域和慢時間域進行傅立葉變換； (4)、根據步驟3處理結果中的峰值估計出目標速度； (5)、在快時間頻率域沿目標多普勒頻率值提取在不同分離通道中的目標慢時間頻域分量；（6)、通過不同距離門上的目標頻域數據的拼接，實現跨多個距離門形成虛擬陣列數據； (7)、利用超分辨算法估計出各目標發射角和接收角。
【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 優先權日:2014年2月26日
【發明者】陳金立, 李家強, 朱艷萍, 于兵, 顧紅 申請人:南京信息工程大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
