基于嵌套阵列的MIMO雷达波达方向估计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于嵌套阵列的MIMO雷达波达方向估计方法，主要解决早期MIMO雷达波达方向分辨率低和识别信源数少的问题。其实现步骤是：1)建立基于嵌套阵列的MIMO雷达模型，获得目标返回信号；2)对目标返回信号依次进行快拍取样、匹配滤波和向量化，得到向量化后的接收数据y；3)估计y的协方差矩阵R

DOA estimation method of MIMO radar based on nested array

The invention discloses a method for estimating the direction of arrival of an MIMO radar based on a nested array, which mainly solves the problem of low resolution of arrival direction of an early MIMO radar and less identification of the source number. The method comprises the following steps: 1) the establishment of MIMO model based on nested array radar, target return signal; 2) on the target return signal in order to snapshot sampling, matched filtering and quantization, get to the receiving y data quantized; 3) estimation of covariance matrix R y

【技术实现步骤摘要】
基于嵌套阵列的MIMO雷达波达方向估计方法
本专利技术涉及雷达
，特别涉及一种MIMO雷达波达方向估计方法，可用于估计目标源方位。
技术介绍
多个输入和多个输出MIMO系统，早期是应用于移动通信系统中，近几年才开始被应用于雷达系统当中，并且由此诞生了一个新型雷达体制——MIMO雷达。与早期的雷达相比，它拥有很多独特的优点，如突破早期雷达的天线阵元间距必须小于等于半波长的限制、增强了天线的角度分辨能力、增加了雷达系统的自由度、提高了雷达在抗干扰和抑制杂波方面的性能等，因此，MIMO雷达逐渐受到了国内外雷达研究人员的广泛关注，并成为了当前雷达发展的主流方向之一。根据发射天线和接收天线的间距大小，可以将MIMO雷达分为分布式MIMO雷达和集中式MIMO雷达两大类。分布式MIMO雷达，其收发天线相距很远，可以从不同的视角观察目标。集中式MIMO雷达，其收发天线相距较近，各个天线对目标的视角近似相同。对于早期的集中式MIMO雷达的天线阵列一般采用均匀线阵，该阵形具有安装简单和处理方便的优点。但是，在收发阵元数一定的限制条件下，由均匀线阵构造的虚拟阵列所获得的自由度比较有限，当目标个数大于收发阵元数乘积时，早期基于均匀线阵的MIMO雷达将不能准确分辨出来。同时，当对波达方向的估计精度要求很高时，其等效的天线阵列孔径需要相当大，这时如果继续使用天线阵列为均匀线阵就需要用到非常多的天线资源，导致系统的成本与复杂度的增加，无法工程实现。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于嵌套阵列的MIMO雷达波达方向估计方法，以在收发阵元数一定的限制条件下，获得更高的自由度和阵列孔径，提高波达方向的估计精度。为实现上述目的，本专利技术的技术方案包括如下步骤：(1)建立基于嵌套阵列的MIMO雷达模型：(1a)设MIMO雷达发射和接收的阵元数分别为M和N，其中接收阵列采用二阶嵌套阵列，N≥2，发射阵列由该嵌套阵列的首尾阵元构成，M＝2；(1b)用发射阵列发射的正交信号照射Q个目标，通过接收阵列接收目标的返回信号X；(2)使用接收阵列对目标信号进行快拍取样和匹配滤波操作，得到接收阵列的接收数据并对进行向量化，得到向量化后的接收数据为：其中，(·)H表示共轭转置操作，X为N×L维的接收数据，L表示快拍数，S为M×L维的发射信号，vec(·)表示矩阵的向量化操作；(3)根据步骤(2)中向量化后的接收数据y，得到虚拟的差分阵列接收数据z1：(3a)估计向量化后的接收数据y的协方差矩阵：(3b)对协方差矩阵Ryy进行向量化，得到观测矢量：z＝vec(Ryy)；(3c)去除z中重复的元素，得到虚拟的差分阵列接收数据：z1＝Dis(z)；其中，Dis(·)表示去除向量中重复元素操作；(4)根据步骤(3)得到的虚拟差分阵列接收数据z1，将z1划分为N1个子阵接收数据，得到z1秩恢复的接收数据协方差矩阵Rss；(5)对步骤(4)得到的秩恢复的接收数据协方差矩阵Rss进行特征值分解，得到Q个大特征值和N1-Q个小特征值；用Q个大特征值所对应的特征矢量构成信号的子空间Es，用N1-Q个小特征值所对应的特征矢量构成噪声的子空间EN；(6)根据步骤(5)中得到的噪声子空间EN，计算波达方向θ：(6a)将步骤(4)中第1个子阵接收数据作为参考，得到该子阵接收数据的导向矢量，即MIMO雷达的虚拟导向矢量：其中，θ为目标源方位，λ为发射波波长，dr1为二阶嵌套阵列的第一阶均匀线阵阵元间距，(·)T表示转置操作；(6b)根据噪声子空间EN和MIMO雷达的虚拟导向矢量a1(θ)，计算空间谱函数P(θ)：(6c)根据空间谱函数P(θ)，波达方向θ为P(θ)中Q个谱峰的峰值点所对应的角度。本专利技术与现有技术相比具有的优点：1、易于工程实现早期的MIMO雷达通过增加天线资源的方法进增大天线孔径，无法工程实现；本专利技术由于将嵌套阵列应用到MIMO雷达的接收端，不仅能获得天线孔径更大的阵列，而且易于工程实现。2、自由度更高早期的MIMO雷达采用均匀线阵产生的自由度有限，而本专利技术由于基于嵌套阵列，通过差分阵列，在阵元数目一定的条件下，显著地增加了系统的自由度，提高波达方向的估计精度。附图说明图1是本专利技术使用的场景示意图；图2是本专利技术的实现流程图；图3是分别用本专利技术MIMO雷达和早期MIMO雷达对不同方位的三个目标进行波达方向估计的结果对比图；图4是用本专利技术对十六个目标源进行波达方向估计的结果图；图5是分别用本专利技术MIMO雷达和早期雷达对方位为20°的目标进行波达方向估计时的目标角度均方根误差随信噪比变化的比较图；图6是分别用本专利技术MIMO雷达和早期雷达对方位为20°的目标进行波达方向估计时的目标角度均方根误差随快拍数变化的比较图。具体实施方式参照图1，本专利技术的使用场景，包括M个阵元的发射阵列和N个阵元的接收阵列。其中接收阵列是二阶嵌套阵列，该二阶嵌套阵列由两个均匀线阵级联组成：其中第一级均匀线阵有Nr1个阵元，阵元间距dr1＝1/2λ，第m个阵元位于mdr1，m＝1,2,...,Nr1，第二级均匀线阵有Nr2个阵元，阵元间距dr2＝(Nr1+1)dr1，第n个阵元位于n(Nr1+1)dr1，n＝1,2,...,Nr2。发射阵列是用该嵌套阵列的首尾阵元构成的，其阵元数M＝2。参照图2，本专利技术的实现步骤如下：步骤1：建立基于嵌套阵列的MIMO雷达模型。1a)设MIMO雷达发射和接收的阵元数分别为M和N，其中接收阵列采用二阶嵌套阵列，M≥2，发射阵列由该嵌套阵列的首尾阵元构成，N＝2；1b)用发射阵列发射的正交信号照射Q个目标，通过接收阵列接收目标的返回信号X：其中，(·)T表示向量转置操作，βq为第q个目标的反射系数，at(θq)和ar(θq)分别为发射和接收导向矢量，S＝[s1,s2,...,sm...,sM]T为M×L维的发射信号，L表示快拍数，其中sm＝[s(1)s(2)…s(L)]表示第m个发射阵元发射的信号，m＝1,2,...,M，W＝[w1w2…wL]为N×L维的高斯白噪声。步骤2：获取向量化后的接收数据。2a)采用二阶嵌套阵列对目标信号进行快拍取样和匹配滤波操作，得到接收数据其中，(·)H表示共轭转置操作，L表示快拍数；2b)对接收数据进行向量化，得到向量化后的接收数据y：其中，vec(·)表示矩阵的向量化操作，表示kronecker积，为服从零均值、协方差矩阵为的高斯分布的白噪声，A＝[atr(θ1),atr(θ2),...,a(θq),...,a(θQ)]为NM×Q维的MIMO雷达阵列流行矩阵，其中为第q个目标返回信号的导向矢量。步骤3：根据步骤2中向量化后的接收数据y，得到虚拟的差分阵列接收数据z1。3a)估计向量化后的接收数据y的协方差矩阵：其中，分别为Q个目标返回信号功率，为噪声的方差大小，I为MN×MN维单位矩阵；3b)对协方差矩阵Ryy进行向量化，得到观测矩阵z：其中，表示虚拟的差分合成阵列的导向矢量矩阵，表示Kronecker积，(·)*表示取共轭，表示Q个目标返回信号的功率向量，为第q个目标源的功率，表示对I进行向量化后的列向量，为第i个元素为1，其他元素全为0的行向量；3c)根据观测矩阵z，去除z中重复的元素，得到虚拟的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于嵌套阵列的MIMO雷达波达方向估计方法，包括如下步骤：(1)建立基于嵌套阵列的MIMO雷达模型：(1a)设MIMO雷达发射和接收的阵元数分别为M和N，其中接收阵列采用二阶嵌套阵列，N≥2，发射阵列由该嵌套阵列的首尾阵元构成，M＝2；(1b)用发射阵列发射的正交信号照射Q个目标，通过接收阵列接收目标的返回信号X；(2)使用接收阵列对目标的返回信号进行快拍取样和匹配滤波操作，得到接收阵列的接收数据

【技术特征摘要】
1.一种基于嵌套阵列的MIMO雷达波达方向估计方法，包括如下步骤：(1)建立基于嵌套阵列的MIMO雷达模型：(1a)设MIMO雷达发射和接收的阵元数分别为M和N，其中接收阵列采用二阶嵌套阵列，N≥2，发射阵列由该嵌套阵列的首尾阵元构成，M＝2；(1b)用发射阵列发射的正交信号照射Q个目标，通过接收阵列接收目标的返回信号X；(2)使用接收阵列对目标的返回信号进行快拍取样和匹配滤波操作，得到接收阵列的接收数据并对进行向量化，得到向量化后的接收数据为：其中，(·)H表示共轭转置操作，X为N×L维的接收数据，L表示快拍数，S为M×L维的发射信号，vec(·)表示矩阵的向量化操作；(3)根据步骤(2)中向量化后的接收数据y，得到虚拟的差分阵列接收数据z1：(3a)估计向量化后的接收数据y的协方差矩阵：(3b)对协方差矩阵Ryy进行向量化，得到观测矢量：z＝vec(Ryy)；(3c)去除z中重复的元素，得到虚拟的差分阵列接收数据：z1＝Dis(z)；其中，Dis(·)表示去除向量中重复元素操作；(4)根据步骤(3)得到的虚拟差分阵列接收数据z1，将z1划分为N1个子阵接收数据，得到z1秩恢复的接收数据协方差矩阵Rss；(5)对步骤(4)得到的秩恢复的接收数据协方差矩阵Rss进行特征值分解，得到Q个大特征值和N1-Q个小特征值；用Q个大特征值所对应的特征矢量构成信号的子空间Es，用N1-Q个小特征值所对应的特征矢量构成噪声的子空间EN；(6)根据步骤(5)中得到的噪声子空间EN，计算波达方向θ：(6a)将步骤(4)中第1个子阵接收数据作为参考，得到该子阵接收数据的导向矢量，即MIMO雷达的虚拟导向矢量：其中，(·)T表示转置操作，θ为目标源方位，λ为发射波波长，dr1为二阶嵌套阵列的第一级均匀线阵阵元间距；(6b)根据噪声子空间EN和MIMO雷达的虚拟导向矢量a1(θ)，计算空间谱函数P(...

【专利技术属性】
技术研发人员：张娟，王洁，张林让，刘楠，周宇，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61