专利名称：双基地多输入多输出雷达的多目标收发角度估计方法
技术领域：
本发明涉及的是一种标定位与跟踪方法，具体滴水是一种多输入多输出雷达的目标收发角度估计方法。
背景技术：
多输入多输出(MMO)雷达是借鉴通信领域的多输入多输出技术而提出一种性能的新体制雷达。与传统的雷达相比，MMO雷达在发射端发射相互正交的波形，在接收端可以通过匹配滤波形成一个很大的虚拟阵列孔径，提高了探测目标的空间分辨率和增加了雷达的自由度。目前MIMO雷达主要分为以下两种，一种是集中式MIMO雷达，该雷达的发射端和接收端的阵元均为集中式的分布，通过不同发射天线发射正交信号在接收端匹配形成一个很长的虚拟阵列，从而获得信号分集增益，这些虚拟阵元可以形成一个低旁瓣的窄带波束， 提高目标角分辨率和角度估计的精度，获得很好的参数估计性能，对慢速目标具有更高的检测灵敏度；同时增加雷达的自由度，可以探测更多的目标。另一种为分布式MIMO雷达，该 MIMO雷达的发射端和接收端的阵元均为宽分布式的排列方式，可以获得空间分集增益抑制目标闪烁的缺点。同时，MIMO雷达在抗干扰、载波抑制和低截获率方面均具有很大的优势。
在MMO雷达系统中，目标的角度估计为一个重要的方面。在双基地集中式MMO 雷达中，由于回波信号同时包含了目标相对于发射阵列的波离方向(DOD)和相对于接收阵列的波达方向(DOA)，因此利用DOD和DOA对目标进行交叉定位。目前对多目标的收发角度估计主要有以下几种陈金立等在Electronics Letters期刊的2008年第44卷第24期的 1422页至1423页提出了一种自动配对的ESPRIT算法，该方法找出两个独立的一维ESPRIT 算法间的关系，实现了目标DOD和DOA的自动配对，但该方法只是利用了部分阵元的信息， 估计精度有所下降。谢荣等在电子与信息学报的2010年第32卷第9期的2197页到2200 页提出基于多项式求根的双基地雷达收发角度估计算法，该方式通过利用两次多项式求根技术实现了 DOD和DOA估计，提高了角度的估计精度；当阵元数大时，两次多项式求根需要的运算复杂度庞大。M. L. Bencheikh等在Electronics Letters期刊的2010年第46卷第 15期的1081页到1083页提出了一种联合ESPRIT-MUSIC算法，该方法利用ESPRIT算法估计目标的DOD和利用Root-MUSIC算法估计目标的D0A，降低了一定的运算复杂度，且该方法的角度估计性能和多项式求根技术相似。但上述方法估计精度还是不够理想，且涉及到矩阵运算以及特征值分解等均是在实数域进行，计算量大，不利于实时处理和硬件的实现。发明内容
本发明的目的在于提供一种能降低运算量，提高目标收发角度的估计精度，更加有利于实时处理和硬件上实现的双基地MMO雷达的多目标收发角度估计方法。
本发明的目的是这样实现的
I) M个发射阵元发射正交窄带信号，N个接收阵元接收回波信号，并且发射和接收阵列都是半波长均匀线阵，所有阵元都是全向的；
2)通过A/D采样模块采集每个接收天线的回波信号，将每个接收天线的采集信号通过一个匹配滤波器组，分离出相应的各个发射通道的信号，得到一个阵元数为MN的虚拟阵列的接收数据X (t)；
3)对虚拟接收数据矩阵进行扩展,满足Centro-hermitian矩阵的性质；
4)对扩展后的复值接收数据矩阵进行Unitary变换，得到实数域的接收数据矩阵；
5)对实值数据矩阵利用最大似然估计得到实值协方差矩阵，将实值协方差矩阵进行特征值分解，获得实值信号子空间和噪声子空间；
6)根据实值信号子空间得到发射端的旋转不变关系矩阵，利用Unitary ESPRIT算法得到目标的DOD ;根据实值噪声子空间，利用Unitary Root-MUSIC算法得到目标的D0A。
本发明还可以包括
I、所述的对虚拟接收据矩阵进行扩展，按如下方式进行
根据虚拟阵列的接收数据X(t),构造出满足Centro-hermitian矩阵特性的接收数据矩阵Y (t)
Y(t) = [X(t) rwX*(t) TJ
其中「_表示一个MNXMN的反对角置换矩阵，1\表示一个LXL的反对角置换矩阵，其反对角线上元素全部为I、其余元素全部为0，( ·广表示矩阵的共轭。
2、所述的对扩展后的复值接收数据矩阵进行Unitary变换，按如下方式进行
对接收数据Y(t)进行Unitary变换，得到实数域的接收数据矩阵Yreal (t)
YreJt) = U1N\X(t) ΓΜΝΧ' (tWL ]U1L
其中Uw为MNXMN的Unitary变换矩阵，队为LXL的Unitary变换矩阵；(·)Η表示矩阵的共轭转置。
3、所述的获得实值信号子空间和噪声子空间，按如下步骤进行
I)对实值协方差矩阵进行特征值分解得到MN个特征值和MN个特征值所对应的特征矢量；
2)取P个大特征值所对应的特征矢量组成信号子空间Us ;取MN-P个小特征值所对应的特征矢量组成噪声子空间Un，其中P为目标数。
4、所述的求解目标的DOD和D0A，按如下步骤进行
I)对信号子空间Us进行操作获得子阵子空间Usl = D1Us和Us2 = D2Us，其中D1 = Re {Unh) II2UmnI 和 D2 — Im(Un^1) Π 2。丽} Π2 一 [On(^1) xn In(M-1) ]是选择矩阵，其中Un(m_d为 N(M-1) XN(M-1)的Unitary变换矩阵，Re{ · }和Im{ · }分别表示取复数或复矩阵的实部和虚部；
2)利用最小二乘法求解实值旋转不变关系矩阵X =(UflUsl)-1UflUs2，然后对Wt 进行特征值分解，由P个特征值可以求解出P个目标的DOD ；
3)根据所获得的P个目标的DOD色4 = 1，2，…，P，第P个目标对应的发射导向矢量为O(^) = RexpOsinh), .1expO(M-1)SinhXIf，且接收导向矢量b(0)表示为=，其中％ = exp(j π sin Θ )，( ·)τ表示矩阵的转置，利用导向矢量和噪声子空间的正交性构造如下多项式
h(zr )H [ (^) /V]H UmnEllEfUfm [α{φ) In ]b(zr) = 0
将第p个目标对应的发射导向矢量为4 )代入上式中，利用多项式求根技术找出于单位圆上和接近单位圆上的根，则求解出第P个目标的D0A。
本发明提供了一种基于联合Unitary ESPRIT-MUSIC算法的双基地MMO雷达多目标收发角度估计方法，目的是为了进一步降低运算量，提高目标收发角度的估计精度，更加有利于实时处理和硬件上实现。
本发明的技术思路为双基地MMO雷达的收发阵列均为线性等距阵列，且阵元距均为半个波长，各个发射阵元发射相互正交的波形；在接收端通过A/D采样模块采集每个接收天线的回波信号，将每个接收天线的采集信号通过一个匹配滤波器组，分离出相应的各个发射通道的信号，得到一个阵元数为丽的虚拟阵列的接收数据；对接收数据进行扩展，并利用Unitary变换将接收数据变换到实数域；计算协方差矩阵并利用特征值分解获得实值信号子空间和实值噪声子空间；最后利用Unitary ES PRIT求得目标的DOD和 Unitary Root-MUSIC 求得目标的 D0A。
本发明与现有技术相比较有以下特点
(I)现有的技术都是直接利用虚拟阵列的接收数据对目标的收发角度进行估计， 当采样拍数低，估计性能会严重下降；而本发明通过对接收数据进行重构，包含了双倍的采样样本数据，提高了收发角度的估计精度，特别是在低采样的情况下，本发明能够提供更好的角度估计性能。
(2)现有的技术所涉及到的矩阵计算以及特征值分解等均是在复数域进行，运算复杂度高；而本发明通过Unitary变换，将所有后续的矩阵运算和特征值分解在实数里进行，其运算复杂度为在复数域进行运算的复杂度的1/4。因此本发明提供更低的运算复杂度，更加有利于实时处理和硬件实现。
(3)本发明的目标DOA是根据DOD计算获得，因此DOD和DOA自动配对，不需要额外的配对运算。


图1是本发明的实现流程图2是本发明的多目标配对性能图3是本发明与其他算法的角度估计均方根误差与信噪比的关系变化图4是本发明与联合PRIT-MUSIC算法的运算时间与收发阵元数的关系变化图。
具体实施方式
本发明的实现步骤主要包括
I)通过A/D采样模块采集每个接收天线的回波信号，将每个接收天线的采集信号通过一个匹配滤波器组，分离出相应的各个发射通道的信号，得到一个阵元数为MN的虚拟阵列的接收数据X (t)，其中M、N分别表示发射、接收阵元数；
2)根据接收数据X(t),构造出满足Centro-hermitian矩阵特性的接收数据矩阵 Y(t)
Y(t) = [X(t) rwX*(t) TJ(I)
式中rw表示一个MNXMN的反对角置换矩阵，1\表示一个LXL的反对角置换矩 阵，其反对角线上元素全部为1，其余元素全部为0。( 广表示矩阵的共轭。3)对接收数据Y(t)进行Unitary变换，得到实数域的接收数据矩阵Yreal(t)
权利要求
1.一种双基地多输入多输出雷达的多目标收发角度估计方法，其特征是包括如下步骤 1)M个发射阵元发射正交窄带信号，N个接收阵元接收回波信号，并且发射和接收阵列都是半波长均匀线阵，所有阵元都是全向的； 2)通过A/D采样模块采集每个接收天线的回波信号，将每个接收天线的采集信号通过一个匹配滤波器组，分离出相应的各个发射通道的信号，得到一个阵元数为MN的虚拟阵列的接收数据X (t)； 3)对虚拟接收数据矩阵进行扩展，满足Centro-hermitian矩阵的性质； 4)对扩展后的复值接收数据矩阵进行Unitary变换，得到实数域的接收数据矩阵； 5)对实值数据矩阵利用最大似然估计得到实值协方差矩阵，将实值协方差矩阵进行特征值分解，获得实值信号子空间和噪声子空间； 6)根据实值信号子空间得到发射端的旋转不变关系矩阵，利用UnitaryESPRIT算法得到目标的DOD ;根据实值噪声子空间，利用Unitary Root-MUSIC算法得到目标的D0A。
2.根据权利要求1所述的双基地多输入多输出雷达的多目标收发角度估计方法，其特征是所述的对虚拟接收据矩阵进行扩展，按如下方式进行 根据虚拟阵列的接收数据X(t),构造出满足Centro-hermitian矩阵特性的接收数据矩阵Y(t)
3.根据权利要求1或2所述的双基地多输入多输出雷达的多目标收发角度估计方法，其特征是所述的对扩展后的复值接收数据矩阵进行Unitary变换，按如下方式进行 对接收数据Y(t)进行Unitary变换，得到实数域的接收数据矩阵YMal⑴
4.根据权利要求1或2所述的双基地多输入多输出雷达的多目标收发角度估计方法，其特征是所述的获得实值信号子空间和噪声子空间，按如下步骤进行 1)对实值协方差矩阵进行特征值分解得到MN个特征值和MN个特征值所对应的特征矢量; 2)取P个大特征值所对应的特征矢量组成信号子空间Us;取MN-P个小特征值所对应的特征矢量组成噪声子空间Un，其中P为目标数。
5.根据权利要求3所述的双基地多输入多输出雷达的多目标收发角度估计方法，其特征是所述的获得实值信号子空间和噪声子空间，按如下步骤进行 1)对实值协方差矩阵进行特征值分解得到MN个特征值和MN个特征值所对应的特征矢量; 2)取P个大特征值所对应的特征矢量组成信号子空间Us;取MN-P个小特征值所对应的特征矢量组成噪声子空间Un，其中P为目标数。
6.根据权利要求1或2所述的双基地多输入多输出雷达的多目标收发角度估计方法，其特征是所述的求解目标的DOD和D0A，按如下步骤进行 1)对信号子空间Us进行操作获得子阵子空间Usl= D1Us和Us2 = D2Us，其中D1 =
7.根据权利要求3所述的双基地多输入多输出雷达的多目标收发角度估计方法，其特征是所述的求解目标的DOD和D0A，按如下步骤进行 1)对信号子空间Us进行操作获得子阵子空间Usl= D1Us和Us2 = D2Us，其中D1 =Re ⑴舶)II2UmJ 和％ = ImIUnm II2UmiJ，尽
8.根据权利要求4所述的双基地多输入多输出雷达的多目标收发角度估计方法，其特征是所述的求解目标的DOD和D0A，按如下步骤进行 1)对信号子空间Us进行操作获得子阵子空间Usl= D1Us和Us2 = D2Us，其中D1 =Re {UN(M—D n2UM}和 D2 — Im {UN(M_1} n ]是选择矩阵，其中 Un(m-1)为N(M-1) XN(M-1)的Unitary变换矩阵，
9.根据权利要求5所述的双基地多输入多输出雷达的多目标收发角度估计方法，其特征是所述的求解目标的DOD和D0A，按如下步骤进行 1)对信号子空间Us进行操作获得子阵子空间Usl= D1Us和Us2 = D2Us，其中D1 =Re {UN(M—D n2UM}和 D2 — Im {UN(M_1} n ]是选择矩阵，其中Un0ih)为N(M-I) XN(M-I)的Unitary变换矩阵，Re{ }和Im{ }分别表示取复数或复矩阵的实部和虚部； 2)利用最小二乘法求解实值旋转不变关系矩阵=然后对Wt进行特征值分解，由P个特征值可以求解出P个目标的DOD ； 3)根据所获得的P个目标的DOD= 1，2，…，P，第p个目标对应的发射导向矢量为《(#p) = [l，exp(/;rsin<)，...,exp(_/;r(M-l)sinA)]T，且接收导向矢量 b(0)表示为6(zr) = [l,z,.，...,zf-T，其中zr = exp(j sin 0 )，( )T表示矩阵的转置，利用导向矢量和噪声子空间的正交性构造如下多项式 INf UwEllEf UUa^) IN]b(zr) = 0 将第P个目标对应的发射导向矢量为《(&)代入上式中，利用多项式求根技术找出于单位圆上和接近单位圆上的根，则求解出第P个目标的D0A。
全文摘要
本发明提供的是一种双基地多输入多输出雷达的多目标收发角度估计方法。在接收端通过A/D采样模块采集每个接收天线的回波信号，将的采集信号通过一个匹配滤波器组，分离出相应的各个发射通道的信号，得到一个阵元数为MN的虚拟阵列的接收数据；对接收数据进行扩展，并利用Unitary变换将接收数据变换到实数域；计算协方差矩阵并利用特征值分解获得实值信号子空间和实值噪声子空间；最后利用Unitary ESPRIT求得目标的DOD和UnitaryRoot-MUSIC求得目标的DOA。本发明的收发角度自动配对，不需要额外的配对运算，利用目标的收发角度可实现目标的交叉定位，且具有估计精度高、计算复杂性低的优点。
文档编号G01S7/41GK102981152SQ20121044904
公开日2013年3月20日 申请日期2012年11月12日 优先权日2012年11月12日
发明者王伟, 王咸鹏, 李沫璇, 李欣, 宋鸿儒, 李强, 赵俊杰, 马跃华, 王志华, 朱玮 申请人:哈尔滨工程大学