一种FDA-MIMO雷达的校准和参数估计方法、装置及雷达系统制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种FDA

【技术实现步骤摘要】
一种FDA
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MIMO雷达的校准和参数估计方法、装置及雷达系统


[0001]本专利技术属于雷达信号处理
，具体涉及一种FDA
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MIMO雷达的校准和参数估计方法、装置及雷达系统。

技术介绍

[0002]随着电子设备的不断进步和环境的日益复杂，传统的相控阵雷达在某些场景下可能无法满足目标定位的要求。FDA(Frequency Diverse Array，频率分级阵列)雷达是近几年新兴起的一种雷达系统。多输入多输出(Multiple
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input Multiple
‑
output，MIMO)雷达的特点是多根天线同时发射正交波形，多根天线接收反射信号。将FDA雷达和MIMO雷达相结合的FDA
‑
MIMO雷达不仅享有MIMO雷达的空间分集的优势，而且具备距离维可控自由度，以满足复杂环境下的目标定位。
[0003]目前，在雷达信号处理中，雷达目标参数估计是雷达目标探测的重要任务之一。传统的多信号分类(Multiple signal classification，MUSIC)方法通过旋转不变性技术估计信号参数(Estimating signal parameter via rotational invariance techniques，ESPRIT)方法、实值ESPRIT等方法在阵列天线没有幅度和相位误差的理想条件下有效地工作。
[0004]然而，在实际中，阵列中的每个发射或接收天线对应于一个发射或接收信道，每个信道包含多个有源设备。随着这些有源器件工作时间的推移，它们逐渐经历磨损和老化，导致其幅度
‑
和相位特性发生变化。此外，工作环境，如温度的变化也会影响有源器件的幅度和相位特性。因此，这些因素会在雷达系统中引入与目标角度无关的幅度和相位误差，从而影响雷达的定位性能。尤其对于存在随机幅相误差的FDA
‑
MIMO雷达，现有的参数估计方法精度较低，甚至会失效。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种FDA
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MIMO雷达的校准和参数估计方法、装置及雷达系统。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
[0006]第一方面，本专利技术提供了一种FDA
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MIMO雷达的校准和参数估计方法，包括：
[0007]步骤1：获取每个接收阵元收到的回波信号，并进行匹配滤波处理，得到所有接收信号；
[0008]步骤2：计算所述接收信号的协方差矩阵并进行特征值分解，得到接收信号的噪声子空间；
[0009]步骤3：基于所述噪声子空间构建角度维的谱峰搜索函数，并进行降维变换后的谱峰搜索，得到目标的角度估计；
[0010]步骤4：在角度估计的基础上构建角度
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距离联合谱峰搜索函数，并进行谱峰搜索，得到目标的距离估计；
[0011]步骤5：获取所述角度
‑
距离联合谱峰搜索函数最小特征值对应的特征向量；
[0012]步骤6：将所述特征向量构为新的矩阵，并对构建的新矩阵进行奇异值分解，得到左、右奇异矩阵；
[0013]步骤7：在所述左、右奇异矩阵中寻找最大奇异值对应的左、右奇异值向量，并进行发射与接收阵列的幅度和相位的误差估计。
[0014]第二方面，本专利技术提供了一种FDA
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MIMO雷达的校准和参数估计装置，包括：
[0015]匹配滤波模块，用于获取每个接收阵元收到的回波信号，并进行匹配滤波处理，得到所有接收信号；
[0016]第一计算模块，用于计算所述接收信号的协方差矩阵并进行特征值分解，得到接收信号的噪声子空间；
[0017]角度估计模块，用于基于所述噪声子空间构建角度维的谱峰搜索函数，并进行降维变换后的谱峰搜索，得到目标的角度估计；
[0018]距离估计模块，用于在角度估计的基础上构建角度
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距离联合谱峰搜索函数，并进行谱峰搜索，得到目标的距离估计；
[0019]第二计算模块，用于获取所述角度
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距离联合谱峰搜索函数最小特征值对应的特征向量；
[0020]奇异值分解模块，用于将所述特征向量构为新的矩阵，并对构建的新矩阵进行奇异值分解，得到左、右奇异矩阵；
[0021]误差估计模块，用于在所述左、右奇异矩阵中寻找最大奇异值对应的左、右奇异值向量，并进行发射与接收阵列的幅度和相位的误差估计。
[0022]第三方面，本专利技术提供了一种FDA
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MIMO雷达系统，包括M个发射阵元和N个接收阵元，所述M个发射阵元用于向目标发射正交信号，所述N个接收阵元用于接收从目标处返回的回波信号；
[0023]所述雷达系统还包括：处理器、通信接口、存储器和通信总线；其中，
[0024]处理器、通信接口、存储器通过通信总线完成相互间的通信；
[0025]存储器用于存放计算机程序；
[0026]处理器用于执行存储器上所存放的程序时，实现上述实施例所述的方法步骤。
[0027]本专利技术的有益效果：
[0028]本专利技术针对随机幅度和相位误差的FDA
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MIMO雷达，提出了一种校准和参数估计方法，首先通过计算所述接收信号的协方差矩阵并进行特征值分解，可以得到信号的噪声子空间；然后采用降维谱峰搜索方法进行目标角度和距离估计；最后通过对角度
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距离联合谱峰搜索函数之和矩阵进行奇异值分解，获取其最大奇异值对应的左、右奇异向量，进而即可得到幅度以及相位的误差估计。该方法在存在幅度和相位误差的下，具有高精度估计目标的能力。
[0029]以下将结合附图及实施例对本专利技术做进一步详细说明。
附图说明
[0030]图1为本专利技术实施例提供的一种FDA
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MIMO雷达的校准和参数估计方法的流程示意图；
[0031]图2为本专利技术实施例提供的一种FDA
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MIMO雷达系统的信号收发模型图；
[0032]图3为本专利技术实施例提供的一种FDA
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MIMO雷达的校准和参数估计装置的结构框图；
[0033]图4为仿真实验中远场三目标情景下的估计结果图；
[0034]图5为仿真实验中发射阵元的幅度误差估计结果图；
[0035]图6为仿真实验中发射阵元的相位误差估计结果图；
[0036]图7为仿真实验中接收阵元的幅度误差估计结果图；
[0037]图8为仿真实验中接收阵元的相位误差估计结果图；
[0038]图9为仿真实验中距离与信噪比的均方根误差图；
[0039]图10为仿真实验中角度与信噪比的均方根误差图；
[0040]图11是仿真实验中距离的均方根误差与快拍数量的关系图；
[0041]图12为仿真实验中角度的均方根误差与快拍数量的关系图。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种FDA
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MIMO雷达的校准和参数估计方法，其特征在于，包括：步骤1：获取每个接收阵元收到的回波信号，并进行匹配滤波处理，得到所有接收信号；步骤2：计算所述接收信号的协方差矩阵并进行特征值分解，得到接收信号的噪声子空间；步骤3：基于所述噪声子空间构建角度维的谱峰搜索函数，并进行降维谱峰搜索，得到目标的角度估计；步骤4：在角度估计的基础上构建角度
‑
距离联合谱峰搜索函数，并进行谱峰搜索，得到目标的距离估计；步骤5：获取所述角度
‑
距离联合谱峰搜索函数最小特征值对应的特征向量；步骤6：将所述特征向量构为新的矩阵，并对构建的新矩阵进行奇异值分解，得到左、右奇异矩阵；步骤7：在所述左、右奇异矩阵中寻找最大奇异值对应的左、右奇异值向量，并进行发射与接收阵列的幅度和相位的误差估计。2.根据权利要求1所述的一种FDA
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MIMO雷达的校准和参数估计方法，其特征在于，在步骤1中，第m路发射信号经过第n个接收阵元滤波后的接收信号表示为r
mn
，其表达式为：式中，m∈[1,M]，M表示发射阵元个数，n∈[1,N]，N表示接收阵元个数，E表示雷达的发射功率，ξ表示目标的复系数，c表示光速，θ表示目标的角度，r表示目标的距离，Δf表示相邻天线之间的频率偏移量，f0表示载频，d
t
和d
r
分别表示发射阵列和接收阵列元素的间距；则所述滤波后的接收信号的矢量形式r
s
表示为：其中，[.]
T
表示转置算子，a
TR
表示存在幅相误差的发射、接收导向矢量的克罗内克积，n表示白噪声，a
R
(θ)和a
T
(θ,r)分别是发射和接收方向矢量，C
R
和C
T
表示接收阵和发射阵中包含的幅相误差的对角矩阵，表示克罗内克积运算。3.根据权利要求2所述的一种FDA
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MIMO雷达的校准和参数估计方法，其特征在于，步骤2包括：21)采用最大似然估计方法得到接收信号的协方差矩阵，其表达式为：其中，R表示接收信号的协方差矩阵，K表示快拍数，H表示矩阵转置；22)对所述协方差矩阵进行特征值分解，表示为：
式中，U
S
和U
N
分别表示信号子空间和噪声子空间，Λ
S
和Λ
N
分别是由奇异值组成的对角矩阵。4.根据权利要求3所述的一种FDA
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MIMO雷达的校准和参数估计方法，其特征在于，步骤3包括：31)构建降维变换如下：31)构建降维变换如下：式中，a
T1
(θ,r)和a
T2
(θ,r)分别表示接收方向矢量a
T
(θ,r)的前L
T
个元素和其余元素，a
R1
(θ)和a
R2
(θ)分别是发射方向矢量a
R
(θ)的前L
R
个元素和剩余的元素，L
T
和L
R
分别表示无幅值损失的发射天线数和无相位损失的接收天线数，和分别表示发射阵和接收阵的随机幅相误差向量，0表示零矩阵；32)构建角度维的谱峰搜索函数，其表达式为：式中，F1(θ)表示角度维的谱峰搜索函数，I
M
表示维度为M的对角矩阵，U
N
表示噪声子空间；33)基于所述降维变换和所述角度维的谱峰搜索函数进行降维变换后的谱峰搜索，得到目标的角度估计，其表达式为：其中，表示目标的角度估计值，det表示计算矩阵的行列式值...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱圣棋，刘飞龙，关中意，许京伟，李西敏，戴思超，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：