一种双基地mimo雷达高速高机动目标的角度估计方法
【专利摘要】本发明公开了双基地MIMO雷达高速高机动目标的角度估计方法，包括双基地MIMO雷达的接收阵列接收高速高机动目标的回波信号；接收阵列回波与位于不同距离单元上的发射信号进行共轭相乘；对共轭相乘后数据依次在快时间域和慢时间域进行傅立叶变换；根据步骤3中的峰值估计出目标速度；在快时间频率域沿目标多普勒频率值提取在不同分离通道中的目标慢时间频域分量；通过不同距离门上的目标频域数据的拼接实现跨多个距离门形成虚拟阵列数据；利用超分辨算法估计出各目标发射角和接收角。能够避免目标的高速高机动运动对MIMO雷达通道分离的影响，实现跨多个距离门形成有效的虚拟阵列，解决了高速高机动目标下的双基地MIMO雷达的目标角度参数估计问题。
【专利说明】一种双基地MI MO雷达高速高机动目标的角度估计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及多输入多输出雷达系统的应用领域，特别涉及一种双基地MIMO雷达高速高机动目标的角度估计方法。
【背景技术】
[0002]收发分置的双基地雷达有较强的抗反辐射导弹、抗电子干扰、抗低空突防以及抗隐身的“四抗”能力，而将多输入多输出(Multiple-1nput Multiple-Output, ΜΙΜΟ)技术应用于双基地雷达中，能够解决传统双基地雷达中收发空间波束同步的问题。因此双基地MMO雷达有着广泛的应用前景，其目标检测和参数估计已成为雷达领域的一个研究热点。双基地MMO雷达的发射阵列发射相互正交的信号，而相距较远的接收阵列能够利用发射信号的正交性通过匹配滤波方法形成虚拟阵列，然后利用传统超分辨角度估计算法可从虚拟阵列中估计出目标的发射角(Direction Of Departure, D0D)和接收角(Direction OfArrival，D0A)，从而实现空间多个目标的无模糊交叉定位。
[0003]现代雷达不仅在防空领域中面临着高速飞行导弹和战斗机的威胁，而且在航天领域中也需要实时监视天空轨道目标，因此高速高机动目标是现代雷达目标探测中面临的新问题。虽然，双基地MMO雷达的DOD和DOA联合估计算法已被广泛研究，并涌现出一些行之有效的算法，但是大部分算法未考虑目标的高速运动对目标角度估计的影响。在双基地MIMO雷达中，虚拟阵列的有效形成和回波的信号长时间积累是目标角度估计的关键。由于高速运动目标产生的大多普勒频率在匹配滤波时间内对发射信号的调制不能忽略，出现回波信号严重失真现象，使得匹配滤波严重失配，从而导致MIMO雷达无法有效形成虚拟阵列，致使传统的超分辨算法难以完成目标角度估计。同时，高速运动目标会在回波积累时间即在角度估计过程中跨越多个距离单元，即目标能量分散在多个距离单元上，因此，MIMO雷达利用传统超分辨算法估计目标角度时，必须先将目标能量聚焦在单个距离单元上，否则会影响目标的角度估计精度。R.P.Perry等在IEEE Transactions on Aerospace andElectronic Systems期刊1999年第35卷第I期的188页至200页提出的Keystone变换是一种雷达中常用的距离校正技术，它通过慢时间轴的尺度变换使得目标回波包络能够在长回波积累时间内对齐，由于在低信噪比情况下仍能保留回波相位关系，因此适用于微弱高速目标检测。然而Keystone变换在目标出现多普勒模糊时会失效，但是在雷达信号的低重复频率限制下目标高速运动必然会导致多普勒模糊，并且Keystone变换也无法校正由高速高机动目标的径向加速度引起的距离弯曲，同时由于尺度变换一般需要插值运算来实现，因此其运算量较大。秦国栋在电子学报期刊2010年第38卷第12期的2763页至2768页将级联Keystone变换应用于多载频MMO雷达高速目标的多维参数估计中，为了避免Keystone变换失效，该方法先对高速运动目标的多普勒模糊数进行搜索估计，然后分别利用Keystone变换对回波距离走动以及由于发射载频不同而在各个分离通道中引起的多普勒频率差进行校正，从而解决MMO雷达对高速运动目标多维参数的联合估计。然而由高机动目标的加速度引起的在不同分离通道中的多普勒频率差无法通过Keystone变换校正，这会导致多载频MMO雷达的虚拟阵列无法有效形成。陈金立在电子与信息学报2013年第35卷第4期的859页至864页提出一种双基地MMO雷达高速运动目标DOD和DOA的方法，为了使分散在不同距离单元的目标信号进行有效累加，该方法把分散在不同距离单元上的目标匹配滤波输出数据的采样协方差矩阵进行平均，通过提高协方差矩阵的估计精度来提高目标角度的估计精度。为了避免匹配滤波器失配，该方法通过降低匹配滤波时长来扩大其多普勒容限，但是牺牲了匹配滤波器的通道分离性能，使得MMO雷达形成的虚拟阵列的性能不能达到最优。

【发明内容】

[0004]为解决上述问题，本发明公开了一种双基地MMO雷达高速高机动目标的角度估计方法。
[0005]为达到上述目的，本发明采用的方法是：一种双基地MMO雷达高速高机动目标的角度估计方法，包括如下步骤：
[0006](I)、通过双基地MMO雷达的接收阵列接收高速高机动目标的回波信号；
[0007](2)、接收阵列回波与位于不同距离单元上的发射信号进行共轭相乘；
[0008](3)、对共轭相乘后数据依次在快时间域和慢时间域进行傅立叶变换；
[0009](4)、根据步骤3处理结果中的峰值估计出目标速度；
[0010](5)、在快时间频率域沿目标多普勒频率值提取在不同分离通道中的目标慢时间频域分量；
[0011](6)、通过不同距离门上的目标频域数据的拼接，实现跨多个距离门形成虚拟阵列数据；
[0012](7)、利用超分辨算法估计出各目标发射角和接收角。
[0013]有益效果：
[0014]本发明公开的一种双基地MIMO雷达高速高机动目标的角度估计方法，与现有技术相比具有如下优点：
[0015](I)目标的高速高机动运动导致传统匹配滤波器严重失配，因此双基地MMO雷达无法有效形成虚拟阵列，从而使得传统超分辨方法难以完成目标发射角和接收的有效估计，本发明方法通过对接收阵列回波与发射信号的共轭相乘后数据进行快时间域和慢时间域的傅立叶变换处理，然后提取在不同分离通道中的目标频域分量，以避免了目标的高速高机动运动对MIMO雷达通道分离的影响，使得虚拟阵列得以有效形成。
[0016](2)本发明通过对分散在多个距离单元的目标频域分量进行重新拼接，从而在目标角度估计时能够对不同距离单元上的目标能量进行有效积累，以提高目标DOD和DOA的估计精度，而且其运算量比现有距离走动校正方法低得多，有利于工程实现。
【专利附图】

【附图说明】
[0017]图I为本发明实现流程图；
[0018]图2为本发明的双基地MMO雷达结构示意图；
[0019]图3为本发明对接收阵列回波与不同距离单元上发射信号共轭相乘后的数据进行二维傅立叶变换处理结果图；[0020]图4为利用传统算法(ESPRIT算法)估计高速目标角度的星座图；
[0021]图5为利用本发明算法估计高速目标角度的星座图；
[0022]图6为目标I的角度估计RMSE与信噪比SNR的关系图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图和【具体实施方式】，进一步阐明本发明，应理解下述【具体实施方式】仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
[0024]本发明的一种双基地MIMO雷达高速高机动目标的角度估计方法包括以下步骤:
[0025]步骤I，通过双基地MMO雷达的接收阵列接收高速高机动目标的回波信号。
[0026]假设双基地MIMO雷达发射阵列和接收阵列均采用等距均匀线阵，分别由M个发射阵元和N个接收阵元组成，其阵元间距分别为dt和d,，如图2所示。M个发射阵元发射相互正交的周期基带相位编码信号，可表示为
[0027]S(t,t,) = [5,(/,t,、S1(Itl)…Sw(?,Oj(I)
[0028]式中，[.]τ表示矢量转置山=IT为慢时间，其中T为雷达信号的重复周期；i = t + lT,其中t为快时间,O≤t < T ; 为第m个发射阵元的发射信号。
[0029]假设在相同起始距离分辨单元上存在P个高速高机动目标，其发射角(DOD)分别表不为 Θ tl，Qt2,..., θ tP，接收角(DOA)分别表不为 Θ rl, Θ r2,..., Θ rP,那么(Θ tp, θ rp)可表示第P (P = 1，2，...，P)个目标的空间位置。P个目标作匀加速直线运动，令Vp = vtp+vrp和ap = atp+an)为第P目标的“径向速度和”以及“径向加速度和”，Vtp和％为第P个目标相对于发射阵列和接收阵列的径向速度，atp和aip为第P个目标相对于发射阵列和接收阵列的径向加速度。高速目标在回波信号积累时间内所移动的距离远小于其离发射阵列和接收阵列的距离，因此目标DOA和DOD在回波积累时间内发生的微小变化可以忽略不计。接收阵列基带回波信号可表示为
【权利要求】
1. 一种双基地MIMO雷达高速高机动目标的角度估计方法，其特征在于：包括如下步骤： (1)、通过双基地MIMO雷达的接收阵列接收高速高机动目标的回波信号； (2)、接收阵列回波与位于不同距离单元上的发射信号进行共轭相乘； (3)、对共轭相乘后数据依次在快时间域和慢时间域进行傅立叶变换； (4)、根据步骤3处理结果中的峰值估计出目标速度； (5)、在快时间频率域沿目标多普勒频率值提取在不同分离通道中的目标慢时间频域分量；（6)、通过不同距离门上的目标频域数据的拼接，实现跨多个距离门形成虚拟阵列数据； (7)、利用超分辨算法估计出各目标发射角和接收角。
【文档编号】G01S7/41GK103777190SQ201410065844
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年2月26日 优先权日:2014年2月26日
【发明者】陈金立, 李家强, 朱艳萍, 于兵, 顾红 申请人:南京信息工程大学