雙基地mimo雷達均勻圓陣角度多普勒頻率估計方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于雷達信號處理技術領域，特別涉及一種雙基地MMO雷達均勻圓陣角 度多普勒頻率估計方法，實現雷達目標相對于發射機和接收機的方位角和俯仰角的參數估 計，以及雷達目標歸一化多普勒頻率的準確估計。
【背景技術】
[0002] 傳統雙基地雷達利用雷達目標分別相對于接收機的角度和距離來對雷達目標進 行定位，由于傳統雙基地雷達的接收機與發射機均難以滿足精確的時間同步，并且其角度 分辨率與測距精度均比較低，導致對雷達目標定位的精度低。采用MMO技術的雙基地雷 達，即雙基地MMO雷達，可以在接收機獲得發射機的角度信息，在不需要時間同步和雷達 目標距離和的情況下，能夠對雷達目標進行精確定位，得到雷達目標的坐標位置以及雷達 目標速度。雙基地MIMO雷達通常采用接收機和發射機的分置結構實現，其結構的主要特點 是，發射機置于雷達目標后方，接收機置于無人機上，使得能夠避免雷達電磁波雙程傳播帶 來的威力損失，提高雷達目標的信噪比。
[0003] 哈爾濱工程大學申請的專利技術"雙基地多輸入多輸出雷達多目標定位方法"（申 請號201110001351.0,公布號CN 102135617 A)中公開了一種雙基地多輸入多輸出雷達 多目標定位方法，該方法利用ESPRIT算法雖能得到雷達目標的位置，但由于其接收機與發 射機均為均勻線陣，使得在接收端只能得到雷達目標分別相對于接收機與發射機的兩個角 度，而該雷達目標是三維坐標唯一確定的，因此該方法無法進行空間雷達目標的方位角和 俯仰角參數估計。
[0004]西安電子科技大學申請的專利技術"多輸入多輸出雷達系統目標定位方法"（申請 號200810150754. X，公開號CN 101349748A)中公開了一種多輸入多輸出MMO雷達目標定 位的方法，該方法雖能夠實現雷達目標的精確定位，但也只能確定雷達目標位置的二維坐 標，無法對空間雷達目標的方位角和俯仰角參數估計。
[0005]西安電子科技大學申請的專利技術"雙基地米波雷達目標三維精確定位方法"（專 利【申請號】201218001807. 9)中公開了一種雙基地多輸入多輸出雷達的多目標三維定位方 法，該方法利用ESPRIT方法估計雷達目標相對于均勻線陣的接收角，并利用模式激勵法估 計雷達目標相對于均勻圓陣的方位角與俯仰角，但是該方法卻無法對歸一化多普勒頻率實 現同步估計，也無法實現對雷達目標進行跟蹤。
【發明內容】
[0006] 針對上述現有技術存在的不足，本發明的目的在于提出一種雙基地MMO雷達均 勻圓陣角度多普勒頻率估計方法，該方法摒棄利用均為線陣的發射陣和接收陣對雷達目標 進行位置估計，而是選用均為均勻圓陣的發射機和接收機實現雷達目標分別相對于該發射 機和接收機的方位角和俯仰角的參數估計，并得到雷達目標的歸一化多普勒頻率估計值。
[0007] 本發明的實現思路：分別將雙基地MMO雷達的發射機配置為M個陣元的均勻圓 陣，接收機配置為N個陣元的均勻圓陣，并使發射機中M個陣元發射正交信號，再使接收 機中的N個陣元分別接受該發射機中M個陣元發射的正交信號，并進行匹配濾波，依次得 到匹配濾波后的雷達回波信號和L次快拍積累得到的匪XL維矩陣，進而得到該匪XL維 矩陣中任意一個接收陣元的MXL維切片矩陣形式，然后利用平行因子算法分別得到發射 方向估計矩陣、接收方向估計矩陣和歸一化多普勒頻率方向估計矩陣，最后利用最小二乘 算法分別估計雷達目標相對于發射機的方位角和俯仰角、雷達目標相對于接收機的方位角 和俯仰角的參數估計，以及雷達目標的歸一化多普勒頻率估計值，實現本發明目的。
[0008] 為達到上述技術目的，本發明采用如下技術方案予以實現。
[0009] -種雙基地MMO雷達均勻圓陣角度多普勒頻率估計方法，其特征在于，包括以下 步驟：
[0010] 步驟1，分別將雙基地MMO雷達的發射機配置為M個陣元的均勻圓陣，接收機配 置為N個陣元的均勻圓陣，并使發射機中M個陣元發射相互正交的波形信號；其中，M表 示發射機陣元個數，N表示接收機陣元個數，且M、N均為自然數；
[0011]步驟2,利用發射機中M個陣元發射相互正交的波形信號，接收機中的N個陣元 分別接收該發射機中M個陣元發射相互正交的波形信號，并進行匹配濾波，依次得到匹配 濾波后的匪X 1維雷達回波信號X和L次快拍積累得到的匪X L維矩陣X，進而得到L次快 拍積累得到的匪XL維矩陣X中第n個接收陣元的MXL維切片矩陣形式Xn;其中，M表示 發射機陣元個數，n G {1，2,…，N}，N表示接收機陣元個數，L表示快拍次數，且M、N、L均為 自然數；
[0012] 步驟3,根據L次快拍積累得到的匪XL維矩陣X中第n個接收陣元的MXL維切 片矩陣形式X n，利用平行因子算法分別得到發射方向估計矩陣&、接收方向估計矩陣 和歸一化多普勒頻率方向估計矩陣B ;
[0013] 步驟4,根據發射方向估計矩陣又r，利用最小二乘算法得到K個雷達目標分別相 對于發射機的方位角估計值向量&和俯仰角估計值向量^ ;根據接收方向估計矩陣又R，利 用最小二乘算法估計K個雷達目標分別相對于接收機的方位角估計值向量氣和俯仰角估 計值向量I;
[0014]步驟5,根據歸一化多普勒頻率方向估計矩陣§，利用最小二乘算法得到第1^個雷 達目標的歸一化多普勒頻率估計值}^，進而得到K個雷達目標的多普勒頻率估計值向量 Jrf ;其中，I表示由K個歸一化多普勒頻率估計值~ 排成的列向量，也為K個雷達 目標的多普勒頻率估計值向量，k G {1，2,…，K}，K表示空間雷達目標個數，且K為自然數。
[0015] 本發明與現有技術相比，具有以下優點：
[0016] 第一，本發明采用多輸入多輸出技術，能夠克服現有技術利用雷達目標距離對雷 達目標進行定位的不足，以及發射信號帶寬較小時，雷達目標距離誤差增大，雷達目標的定 位誤差隨之增大的缺點，使得本發明能夠根據基線長度、雷達目標的角度、雙基地雷達配置 的幾何關系，對雷達目標進行定位，具有定位精度不依賴于發射信號帶寬的優點；
[0017] 第二，本發明通過利用平行因子算法分別得到發射方向估計矩陣、接收方向估計 矩陣和歸一化多普勒頻率方向估計矩陣，同時也能估計得到雷達目標相對于發射機的方位 角和俯仰角，以及雷達目標相對于接收機的方位角和俯仰角，還有雷達目標的歸一化多普 勒頻率，能夠克服現有技術需要進行角度多普勒配對的缺點，使得利用本發明能夠實現雷 達目標相對于發射機和接收機的方位角和俯仰角的參數估計同時，也能夠得到雷達目標的 歸一化多普勒頻率估計值，實現雷達目標的實時跟蹤；
[0018] 第三，本發明利用平行因子算法估計得到雷達目標分別相對于發射機和接收機的 方位角和俯仰角，以及歸一化多普勒頻率，計算復雜度低，無需譜峰搜索。
【附圖說明】
[0019] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細說明。
[0020] 圖1為本發明的一種雙基地MMO雷達均勻圓陣角度多普勒頻率估計方法實現流 程圖；
[0021] 圖2為本發明的雙基地雷達配置不意圖；
[0022] 圖3a)為用本發明方法仿真不同信噪比情況下雷達目標1分別相對于接收機的俯 仰角和方位角的估計值誤差圖，
[0023] 圖3b)為用本發明方法仿真不同信噪比情況下雷達目標1分別相對于發射機的俯 仰角和方位角的估計值誤差圖，
[0024] 圖3c)為用本發明方法仿真不同信噪比情況下雷達目標2分別相對于接收機的俯 仰角和方位角的估計值誤差圖，
[0025] 圖3d)為用本發明方法仿真不同信噪比情況下雷達目標2分別相對于發射機的俯 仰角和方位角的估計值誤差圖，
[0026] 圖3e)為用本發明方法仿真不同信噪比情況下兩個雷達目標多普勒頻率估計值 的誤差圖；
[0027] 圖4a)為用本發明方法仿真不同半徑情況下雷達目標1分別相對于接收機的俯仰 角和方位角的估計值誤差圖；
[0028] 圖4b)為用本發明方法仿真不同半徑情況下雷達目標1分別相對于發射機的俯仰 角和方位角的估計值誤差圖，
[0029] 圖4c)為用本發明方法仿真不同半徑情況下雷達目標2分別相對于接收機的俯仰 角和方位角的估計值誤差圖，
[0030] 圖4d)為用本發明方法仿真不同半徑情況下雷達目標2分別相對于發射機的俯仰 角和方位角的估計值誤差圖。
【具體實施方式】
[0031] 參照圖1，為本發明的一種雙基地MIMO雷達均勻圓陣角度多普勒頻率估計方法實 現流程圖，該種雙基地MIMO雷達均勻圓陣角度多普勒頻率估計方法，包括以下步驟：
[0032] 步驟1，分別將雙基地MMO雷達的發射機配置為M個陣元的均勻圓陣，接收機配 置為N個陣元的均勻圓陣，并使發射機中M個陣元發射相互正交的波形信號；其中，M表 示發射機陣元個數，N表示接收機陣元個數，且M、N均為自然數。
[0033] 具體地，參照圖2,為本發明的雙基地雷達配置示意圖，在其該三維直角坐標系中， 點0為坐標系原點，坐標軸正方向滿足右手螺旋規則。發射機為均勻圓陣，圓心為坐標系原 點0,半徑為r，其陣元個數M = 2floor (2 JT r/ A )+1，floor ( ?)表示向下取整運算，X表 示發射陣所發射波的波長；接收機也為均勻圓陣，圓心為點A，半徑也為r，其陣元個數N = 2floor (2 Jr r/ A )+1，點B表示雷達目標在三維坐標系xoyz中的空間位置，點C表示雷達目 標在xoy平面的投影點，點D表示點C在X軸的投影點，OB與z軸正方向的夾角<i> t表示雷 達目標相對于發射陣的俯仰角，OC與X軸正方向的夾角9 4表示雷達目標相對于發射陣的 方位角，BA與z軸正方向的夾角表示雷達目標相對于接收陣的俯仰角，CA與X軸負方 向的夾角吣表示雷達目標相對于接收陣的方位角，OA的長度為發射機與接收機之間的距 離。
[0034] 步驟2,利用發射機中M個陣元發射相互正交的波形信號，接收機中的N個陣元 分別接收該發射機中M個陣元發射相互正交的波形信號，并進行匹配濾波，依次得到匹配 濾波后的匪X 1維雷達回波信號