基于距離-方位耦合的雙基地mimo雷達信號處理方法

基于距離-方位耦合的雙基地mimo雷達信號處理方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于距離?方位耦合的雙基地MIMO雷達信號處理方法，其主要思路為：分別獲取雙基地MIMO雷達的發射信號，以及N個接收陣元接收一個脈沖重復周期內雙基地MIMO雷達的脈沖回波；分別確定雙基地MIMO雷達的發射信號波長、雙基地MIMO雷達N個接收陣元的陣元間距，以及雙基地MIMO雷達的接收波束指向，計算一個脈沖重復周期內雙基地MIMO雷達的波束形成回波；設定雙基地MIMO雷達的初始發射角度，進而計算雙基地MIMO雷達的初始時空匹配濾波回波z；設定雙基地MIMO雷達的采樣時間間隔，并對z進行目標檢測，得到K個目標各自的初始距離后分別進行矯正，進而分別得到K個目標各自的真實距離。
【專利說明】
基于距離-方位耦合的雙基地ΜI MO雷達信號處理方法
技術領域
[0001]本發明屬于雷達探測技術領域，具體的說是一種雙基地ΜΜ0雷達信號處理方法， 可用于降低雙基地Μ頂0雷達信號處理的運算量。
【背景技術】
[0002] 雙基地ΜΜ0雷達具有反隱身、抗干擾及反輻射導彈等優點，但是雙基地雷達的接 收站和發射站相距很遠，目標相對于發射站和接收站的視角不同。為了有效進行信號處理， 傳統雙基地ΜΜ0雷達信號處理方法首先對陣列回波信號進行接收波束形成，然后對接收的 波束形成進行時域匹配濾波以分離出發射信號，最后對分離出的發射信號進行發射波束形 成;其中，每形成一個發射波束形成需要進行Μ個通道的時域匹配濾波，Μ為雙基地ΜΜ0雷達 發射陣元個數，導致雙基地Μ頂0雷達信號處理的運算量很大，很難滿足實際需要。
[0003] 正交頻分復用線性調頻(0FD-LFM)信號在ΜΜ0雷達中的應用廣泛；段翔等在文獻 "雙基地ΜΜ0雷達搜索處理方法研究，信號處理，第29卷，第3期，2013年3月"，中指出，當雙 基地ΜΜ0雷達發射0FD-LFM信號時，目標回波信號中的方位和距離存在耦合，即目標回波信 號存在距離-方位耦合現象;距離-方位耦合現象表明目標發射角度的不同，或是目標回波 信號中的距離存在延遲。

【發明內容】

[0004] 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基于距離-方位耦合 的雙基地ΜΜ0雷達信號處理方法，該種基于距離-方位耦合的雙基地ΜΜ0雷達信號處理方 法能夠簡化雙基地MMO雷達的信號處理過程，并能夠降低傳統ΜΜ0雷達信號處理方法的運 舁里。
[0005] 為達到上述技術目的，本發明采用如下技術方案予以實現。
[0006] -種基于距離-方位耦合的雙基地MBTO雷達信號處理方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟1，確定雙基地ΜΙΜΟ雷達包含Μ個發射陣元和Ν個接收陣元，并且獲取雙基地 Μ頂0雷達的發射信號為S，N個接收陣元接收一個脈沖重復周期內雙基地ΜΙΜΟ雷達的脈沖回 波為X;
[0008] 步驟2,分別確定雙基地ΜΙΜΟ雷達的發射信號波長λ、雙基地ΜΙΜΟ雷達Ν個接收陣元 的陣元間距dr，以及雙基地Μ頂0雷達的接收波束指向0 r，并計算得到雙基地Μ頂0雷達的接收 波束權矢量wr(0r)，然后根據Ν個接收陣元接收一個脈沖重復周期內雙基地ΜΜ0雷達的脈沖 回波X，計算得到一個脈沖重復周期內雙基地ΜΙΜ0雷達的波束形成回波y;
[0009] 步驟3,設定雙基地ΜΙΜΟ雷達的初始發射角度為0切，并根據雙基地ΜΙΜΟ雷達的發射 信號S，計算得到雙基地ΜΜ0雷達的初始時空二維匹配濾波權矢量h(0 t〇);
[0010] 步驟4,利用雙基地ΜΜ0雷達的初始時空二維匹配濾波權矢量h(0tQ)對一個脈沖重 復周期內雙基地MMO雷達的波束形成回波y進行時空二維匹配濾波，得到雙基地ΜΜ0雷達 的初始時空匹配濾波回波z;
[0011] 步驟5，設定雙基地ΜΜ0雷達的采樣時間間隔為ts，并對雙基地mMO雷達的初始時 空匹配濾波回波z進行目標檢測，得到K個目標各自的初始距離;其中，K為雙基地MMO雷達 的初始時空匹配濾波回波z包含的目標個數；
[0012] 步驟6，對K個目標各自的初始距離分別進行矯正，分別得到K個目標各自的真實距 離;其中，K為雙基地MMO雷達的初始時空匹配濾波回波Z包含的目標個數。
[0013] 本發明的有益效果：
[0014] 本發明通過利用雙基地MMO雷達中目標回波信號的距離-方位耦合性質，用時空 二維匹配濾波代替傳統信號過程中的時域匹配濾波和發射波束形成操作，有效的減低了雙 基地Μ頂0雷達信號處理的運算量。
【附圖說明】
[0015] 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。
[0016] 圖1為本發明的一種基于距離-方位耦合的雙基地MBTO雷達信號處理方法流程圖； [0017]圖2為雙基地MBTO雷達的結構示意圖；
[0018]圖3為本發明方法信號處理結果示意圖；
[0019]圖4為傳統方法信號處理結果示意圖；
[0020]圖5為本發明方法和傳統信號處理方法的運算量比較示意圖。
【具體實施方式】
[0021]參照圖1，為本發明的一種基于距離-方位耦合的雙基地ΜΜ0雷達信號處理方法流 程圖；所述基于距離-方位耦合的雙基地ΜΜ0雷達信號處理方法，包括以下步驟：
[0022]步驟1，確定雙基地ΜΙΜΟ雷達包含Μ個發射陣元和Ν個接收陣元，并且獲取雙基地 ΜΙΜΟ雷達的發射信號S，所述雙基地ΜΜ0雷達的發射信號S為0FD-LFM信號，其中第m個發射 陣元的發射信號為sm;N個接收陣元接收一個脈沖重復周期內雙基地ΜΙΜΟ雷達的脈沖回波 為X，
[0023] Χ= [XI，…，χη,…，ΧΝ]τ，Χη為第η個接收陣元接收一個脈沖重復周期內雙基地ΜΙΜ0 雷達的脈沖回波，Xn= [Xnl，···，Xnl,…，XnL]T，Xnl為第η個接收陣元中第1個采樣點的雙基地 ΜΙΜ0雷達的脈沖回波，1￡{1，2，."，1^}，11￡{1，2，."，^，1^為一個脈沖重復周期內雙基地 Μ頂0雷達的采樣點個數，Ν為雙基地Μ頂0雷達包含的接收陣元個數，[· ]7表示矩陣轉置。 [0024] 具體地，參照圖2，為雙基地ΜΜ0雷達的結構示意圖；其中0*為雙基地ΜΜ0雷達的 發射角，為雙基地ΜΜ0雷達的接收波束指向，D為雙基地ΜΠΚ)雷達的基線長度，Τ為雙基地 ΜΠΚ)雷達所在場景中任意一個點目標，Rt為點目標τ相對于雙基地mMO雷達發射站的距離， 所述雙基地ΜΜ0雷達發射站為雙基地ΜΜ0雷達包含的Μ個發射陣元，R r為點目標Τ相對于雙 基地ΜΙΜ0雷達接收站的距離，所述雙基地ΜΙΜ0雷達發射站為雙基地ΜΙΜ0雷達包含的Μ個發 射陣元。
[0025]然后獲取雙基地ΜΜ0雷達的發射信號S，所述雙基地ΜΜ0雷達的發射信號S為一組 0FD_LFM{曰可，S=[S1,…，Sm,…，SM]，Sm為弟m個發射陣兀的發射{曰可，Sm= [ Sml，…，Smq，…， smQ]T，smq為第m個發射陣元的發射信號^的第q個發射信號點，11^{1，2，一，1}』為雙基地 Μ頂0雷達包含的發射陣元個數，qe{l，2，···，〇}，Q為雙基地ΜΜ0雷達Μ個發射陣元的發射信 號點數;所述Smq為第m個發射陣元的發射信號^的第q個發射信號點，其表達式為：
[0026]
[0027]其中，tq表示第q個發射信號點的時間變量，a(tq)表示時寬為tq的矩形函數，且a (tq)滿足當 I tq I 彡Te/2時a(tq) = 1，當tq>Te/2或tq〈-Te/2時，a(tq) = 0，Te為雙基地ΜΜ0雷達 的發射信號時寬;fm表示第m個發射陣元的發射信號頻率，fm=[m-(M-l)/2] Δ?·，Af為雙基 地ΜΙΜΟ雷達相鄰發射陣元之間的頻率間隔;μ為雙基地ΜΙΜΟ雷達的發射信號調頻率，μ = Β/ Te，B為雙基地ΜΠΚ)雷達的發射信號調頻帶寬，111￡{1，2，."，1}，1為雙基地1頂0雷達包含的 發射陣元個數。
[0028] 步驟2,分別確定雙基地ΜΙΜΟ雷達的發射信號波長λ、雙基地ΜΙΜΟ雷達Ν個接收陣元 的陣元間距dr，以及雙基地Μ頂0雷達的接收波束指向0 r，并計算得到雙基地Μ頂0雷達的接收 波束權矢量wr(0r)，然后根據Ν個接收陣元接收一個脈沖重復周期內雙基地ΜΜ0雷達的脈沖 回波X，計算得到一個脈沖重復周期內雙基地ΜΙΜΟ雷達的波束形成回波y。
[0029] 步驟2的子步驟為：
[0030] (2a)分別確定雙基地ΜΙΜ0雷達的發射信號波長λ、雙基地ΜΙΜ0雷達N個接收陣元的 陣元間距d r，以及雙基地Μ頂0雷達的接收波束指向0r，并計算得到雙基地Μ頂0雷達的接收波 束權矢量w r (0r)，其表達式為：
[0031]
[0032]其中，11￡{1，2，'"，^小為雙基地1頂0雷達包含的接收陣元個數，[*]7表示矩陣 轉置。
[0033] (2b)利用雙基地ΜΙΜ0雷達的接收波束權矢量wr(0r)對N個接收陣元接收一個脈沖 重復周期內雙基地ΜΙΜ0雷達的脈沖回波X進行波束形成，計算得到一個脈沖重復周期內雙 基地ΜΜ0雷達的波束形成回波y，j = ;其中，雙基地ΜΜ0雷達的接收波束指向，
[· ]Η表示矩陣共輒轉置。
[0034] 步驟3,設定雙基地ΜΙΜ0雷達的初始發射角度為0*〇,并根據雙基地ΜΙΜ0雷達的發射 信號S，計算得到雙基地ΜΜ0雷達的初始時空二維匹配濾波權矢量h(0 t〇)。
[0035] 具體地，設定雙基地ΜΜ0雷達的初始發射角度為0切，并根據雙基地ΜΜ0雷達的發 射信號S，計算得到雙基地ΜΙΜ0雷達的初始時空二維匹配濾波權矢量h(0 t〇)，
dt為雙基地ΜΜ0雷達 Μ個發射陣元的陣元間距；Γ為設定的QX Q維交換矩陣，其表達式為：
[0036]
[0037] [·]*表示矩陣共輒，λ為雙基地祖Μ0雷達的發射信號波長。
[0038]步驟4,利用雙基地ΜΜ0雷達的初始時空二維匹配濾波權矢量h(0tQ)對一個脈沖重 復周期內雙基地MMO雷達的波束形成回波y進行時空二維匹配濾波，得到雙基地ΜΜ0雷達 的初始時空匹配濾波回波z。
[0039] 由于雙基地ΜΜ0雷達發射0FD-LFM信號時，會使雙基地ΜΜ0雷達所在場景中的目 標回波的距離和方位之間存在耦合，因此利用雙基地MM0雷達的初始時空二維匹配濾波權 矢量h(0 tQ)對一個脈沖重復周期內雙基地ΜΙΜΟ雷達的波束形成回波y進行有效匹配;步驟4 的子步驟為：
[0040] (4a)對雙基地ΜΜ0雷達的初始時空二維匹配濾波權矢量h(0tQ)和一個脈沖重復周 期內雙基地ΜΜ0雷達的波束形成回波y分別進行L+Q-1點快速傅里葉變換(FFT)，得到快速 傅里葉變換后雙基地ΜΜ0雷達發射信號的初始時空二維匹配濾波權矢量Η和快速傅里葉變 換后雙基地ΜΙΜΟ雷達的波束形成回波Υ，其表達式分別為：
[0041] H=FFT[h(0tO)],Y = FFT[y]
[0042] 其中，FFT[ ·]表示快速傅里葉變換，L表示一個脈沖重復周期內雙基地MM)雷達 的采樣點個數，Q為雙基地ΜΜ0雷達Μ個發射陣元的發射信號點數。
[0043] (4b)根據快速傅里葉變換后雙基地ΜΜ0雷達發射信號的初始時空二維匹配濾波 權矢量Η和快速傅里葉變換后雙基地ΜΙΜ0雷達的波束形成回波Y，計算得到雙基地ΜΙΜ0雷達 的初始波束回波Ζ。
[0044] 具體地，所述雙基地MBTO雷達的初始波束回波Ζ，其表達式為：
[0045] ζ = Η〇 Υ=[Ζι，…，Zs，."，Zl+q-1]
[0046] 其中，0為計算兩個維數相同的矩陣對應元素的乘積，Se{l，2，-_，L+Q-l}，ZsS 雙基地ΜΜ0雷達的初始波束回波Z的第s個元素，Zs = HsYs，Hs為快速傅里葉變換后雙基地 ΜΙΜ0雷達發射信號的初始時空二維匹配濾波權矢量Η的第s個元素，Ys為快速傅里葉變換后 雙基地ΜΙΜ0雷達的波束形成回波Y的第s個元素。
[0047] (4c)對雙基地ΜΜ0雷達的初始波束回波Ζ進行逆快速傅里葉變換，得到逆快速傅 里葉變換后雙基地ΜΜ0雷達的初始波束回波I，進而計算得到雙基地ΜΜ0雷達的初始匹配 濾波回波z。
[0048]具體地，對雙基地ΜΙΜ0雷達的初始波束回波Z進行L+Q-1點逆快速傅里葉變換 (IFFT)，得到逆快速傅里葉變換后雙基地Μ頂0雷達的初始波束回波￡，
[0049] 藝=…，進而計算得到雙基地Μ頂〇雷達的初始匹配濾波回 波ζ，ζ =[勾：，所述雙基地ΜΜ0雷達的初始匹配濾波回波Ζ由逆快速傅里葉變換后雙 基地Μ頂0雷達的初始波束回波i的后L個元素組成，IFFT[ ·]表示逆快速傅里葉變換。
[0050] 步驟5,設定雙基地ΜΙΜ0雷達的采樣時間間隔為^，并利用恒虛警檢測算法對雙基 地ΜΜ0雷達的初始匹配濾波回波ζ進行目標檢測，得到Κ個目標各自的初始距離;其中，Κ為 雙基地ΜΜ0雷達的初始匹配濾波回波ζ包含的目標個數。
[0051] 具體地，首先設定雙基地ΜΜ0雷達的采樣時間間隔為ts，并利用恒虛警檢測算法 對雙基地ΜΙΜ0雷達的初始匹配濾波回波z進行目標檢測，本實施例中采用單元平均恒虛警 算法對雙基地ΜΜ0雷達的初始匹配濾波回波ζ進行目標檢測，得到Κ個目標各自所在的初始 距離單元，然后根據雙基地ΜΜ0雷達的采樣時間間隔t s，計算得到Κ個目標各自所在的距離 單元大小，最后根據K個目標各自所在的初始距離單元和K個目標各自所在的距離單元大 小，計算得到K個目標各自的初始距離。
[0052]假定利用恒虛警檢測算法對雙基地ΜΜ0雷達的初始匹配濾波回波z進行目標檢測 后，在雙基地Μπω雷達的初始時空匹配濾波回波z中檢測出κ個目標，以及κ個目標各自所在 的初始距離單元，其中第k個目標所在的初始距離單元為1^，ke{l，2，···，Κ}，又根據雙基地 Μπω雷達的采樣時間間隔ts，計算得到K個目標各自所在的距離單元大小A=cts，c為光速， 進而計算得到K個目標各自的初始距離，其中第k個目標的初始距離為R kQ = UkQ △，K為雙基 地ΜΜΟ雷達的初始時空匹配濾波回波Ζ包含的目標個數。
[0053]步驟6，對Κ個目標各自的初始距離分別進行矯正，分別得到Κ個目標各自的真實距 離;其中，Κ為雙基地ΜΜ0雷達的初始匹配濾波回波Ζ包含的目標個數。
[0054] (6a)初始化:ke{l，2，-.，K}，k表示第k個目標，Κ為雙基地ΜΜ0雷達的初始時空匹 配濾波回波z包含的目標個數，k的初始值為1;設定p為迭代次數，p的初始值為0，并設定最 大迭代次數P。
[0055] (6b)根據第k個目標所在的初始距離單元ukQ，從一個脈沖重復周期內雙基地ΜΜ0 雷達的波束形成回波y中提取第k個目標的波束形成回波yk，其表達式為：
[0056]
[0057]其中，y[l:2Q+l]為一個脈沖重復周期內雙基地ΜΜ0雷達的波束形成回波y中第1 至第2Q+1個元素，y [Uk0-Q: Uk0+Q]為一個脈沖重復周期內雙基地Μ頂0雷達的波束形成回波y 中第Uk『Q至第Uk〇+Q個元素，y[L-Q-l:L+Q-l]為一個脈沖重復周期內雙基地ΜΜ0雷達的波 束形成回波y中第L-Q-1至第L+Q-1個元素，Q為雙基地ΜΜ0雷達Μ個發射陣元的發射信號點 數，L表示一個脈沖重復周期內雙基地MMO雷達的采樣點個數，u kQ表示第k個目標所在的初 始距離單元。
[0058] (6c)根據第p次迭代后第k個目標的初始距離RkP、雙基地ΜΜ0雷達的接收波束指向
Θ4Ρ雙基地ΜΜ0雷達的基線長度D，計算得到第p次迭代后第k個目標的發射角度0ktp，其表 達式為：
[0059]
[0060]
[0061]其中，RkrP為第p次迭代后第k個目標相對于雙基地ΜΜ0雷達接收站的距離，Rkp為第 P次迭代后第k個目標的初始距離，所述雙基地ΜΜ0雷達接收站為雙基地ΜΜ0雷達包含的N 個接收陣元。
[0062] (6d)根據第p次迭代后第k個目標的發射角度0ktp和雙基地ΜΗ?雷達的發射信號S， 計算得到第Ρ次迭代后第k個目標的時空二維匹配濾波權矢量h(0ktp)，
[0063]叫~）=彳(~沾了，at(0ktp)為第p次迭代后第k個目標的發射角度0 ktp方向上的 導向矢量，9ktp為第p次迭代后第k個目標的發射角度，[· ]H表示矩陣共輒轉置，Γ為設定的 Q X Q維交換矩陣，其表達式為：
[0064]
[0065] (6e)利用第p次迭代后第k個目標的時空二維匹配濾波權矢量h(0ktp)對第k個目標 的波束形成回波yk進行時空二維匹配濾波，得到第p次迭代后第k個目標的時空二維匹配回 波Zkp 〇
[0066] 具體地，首先對第p次迭代后第k個目標的時空二維匹配濾波權矢量h(0ktp)和第k 個目標的波束形成回波yk分別進行3Q-2點快速傅里葉變換(FFT)，分別得到第p次迭代后經 過快速傅里葉變換的第k個目標的時空二維匹配濾波權矢量H kp和快速傅里葉變換后第k個 目標的波束形成回波Yk，其表達式分別為：
[0067] HkP = FFT[h(0ktp)],Yk=FFT[yk]
[0068] 其中，FFT[ ·]表示快速傅里葉變換，Q為雙基地Μ頂0雷達Μ個發射陣元的發射信號 點數。
[0069] 然后根據第ρ次迭代后經過快速傅里葉變換的第k個目標的時空二維匹配濾波權 矢量Hkp和快速傅里葉變換后第k個目標的波束形成回波Y k，計算得到第p次迭代后第k個目 標的回波輸出Zkp，其表達式為：
[0070] Zkp = Hkp 一 Yk= [Zl，…，ZS，…，Z3Q-2]
[0071] 其中，θ為計算兩個維數相同的矩陣對應元素的乘積，se{l，2,為第 P次迭代后第k個目標的回波輸出zkp的第S個元素，Zs=HsYs，Hs為快速傅里葉變換后第P次迭 代后第k個目標的空二維匹配濾波權矢量H kp的第s個元素，Ys為快速傅里葉變換后第k個目 標的波束形成回波Yk的第s個元素。
[0072] 最后對第ρ次迭代后第k個目標的回波輸出Zkp進行逆快速傅里葉變換，得到第ρ次 迭代后經過逆快速傅里葉變換的回波輸出^，進而計算得到第P次迭代后第k個目標的時空 二維匹配回波Zkp。
[0073] 其中，對第ρ次迭代后第k個目標的回波輸出Zkp進行3Q-2點逆快速傅里葉變換 (IFFT)，得到第ρ次迭代后經過逆快速傅里葉變換的第k個目標的回波輸出％，
[0074]
Q為雙基地Μ頂0 雷達Μ個發射陣元的發射信號點數，為第ρ次迭代后經過第g點逆快速傅里葉變換的第k 個目標的回波輸出，進而計算得到第P次迭代后第k個目標的時空二維匹配回波zkp， 冰]，[" j3e_2)i7J表示第ρ次迭代后經過第Q點逆快速傅里葉變換的第k個目 標的回波輸出到第P次迭代后經過第3Q-2點逆快速傅里葉變換的第k個目標的回波輸出；所 述第P次迭代后第k個目標的時空二維匹配回波z kp由第ρ次迭代后經過逆快速傅里葉變換的 第k個目標的回波輸出^的后2Q-1個元素組成，IFFT[ ·]表示逆快速傅里葉變換。
[0075] (6f)利用恒虛警檢測算法對第ρ次迭代后第k個目標的時空二維匹配回波zkp進行 目標檢測，并令P加1，得到第P次迭代后第k個目標的初始距離R kp，Rkp = ukp △，ukp為利用恒虛 警檢測算法得到的第P次迭代后第k個目標所在的初始距離單元。
[0076] (6g)判斷當前迭代次數p是否大于設定的最大迭代次數P，如果是，則執行(6h)，否 則執行(6c)。
[0077] (6h)此時計算得到第P次迭代后第k個目標的初始距離RkP，并將第P次迭代后第k個 目標的初始距離RkP作為第k個目標的真實距離Rk，然后令k加1，返回子步驟(6b);直到得到 第K個目標的真實距離Rk，此時得到了第1個目標的真實距離Ri到第K個目標的真實距離R K， 即得到了K個目標各自的真實距離，完成了雙基地Μ頂0雷達的信號處理過程。
[0078]通過以下仿真實驗對本發明效果作進一步驗證說明。
[0079] ( - )仿真條件：
[0080] 本發明仿真實驗中軟件仿真平臺為MATLAB R2010a，實驗中設定雙基地ΜΜ0雷達 的基線長度D = 50km，雙基地Μ頂0雷達的接收站和發射站分別為Μ個發射陣元的等距線陣和 Ν個接收陣元的等距線陣，雙基地ΜΜ0雷達Μ個發射陣元的陣元間距dt和雙基地ΜΜ0雷達Ν 個接收陣元的陣元間距dr均為雙基地ΜΜ0雷達的發射信號半波長，雙基地ΜΜ0雷達的發射 信號波長為λ;雙基地ΜΜ0雷達發射一組0FD-LFM信號，且該0FD-LFM信號時寬T e = 50ys，雙 基地ΜΜ0雷達相鄰發射陣元之間的頻率間隔Af = 20kHz，雙基地ΜΗ?雷達的發射信號調頻 帶寬B = 20kHz;本發明方法中的最大迭代次數Ρ = 3。
[0081 ](二)仿真內容及結果：
[0082]仿真1，本實驗用于驗證本發明方法進行信號處理的有效性;在上述條件下，設定 雙基地ΜΜ0雷達包含的Μ個發射陣元和N個接收陣元分別為M = 25，N = 25。在雙基地ΜΙΜΟ雷 達作用空域內存在一個目標，該目標相對于雙基地Μ頂0雷達的發射角和雙基地ΜΜ0雷達的 接收波束指向分別為65°和-35°，由此根據圖2中的幾何關系計算得到該目標相對于雙基地 ΜΙΜΟ雷達發射站的距離Rt和該目標相對于雙基地ΜΙΜΟ雷達接收站的距離Rr分別為R t = 41.59km和Rr = 21.46km，設定進行目標檢測時的目標信噪比為20dB。
[0083]分別采用本發明方法和傳統信號處理對目標的回波信號進行處理，得到本發明方 法和傳統信號處理方法的信號處理結果分別如圖3和圖4所示，圖3為本發明方法信號處理 結果示意圖；圖4為傳統方法信號處理結果示意圖；需要說明的是，在本發明方法的處理結 果中，同時給出了各次迭代過程中的時空二維匹配濾波結果，以說明本發明方法的迭代過 程。
[0084]由圖3可知，經過三次迭代后，由本發明的信號處理結果中可以準確的得到目標的 距離信息，因此對比圖3和圖4可知，本發明方法能夠有效進行信號處理，說明了本發明方法 的有效性。
[0085] 仿真2,本實驗用于對比本發明方法和傳統方法的運算量;在上述條件下，雙基地 Μ頂0雷達包含的N個接收陣元個數N= 25,雙基地ΜΜ0雷達Μ個發射陣元的發射信號點數Q = 500，一個脈沖重復周期內雙基地Μ頂0雷達的采樣點個數L = 5000，雙基地ΜΜ0雷達包含的Μ 個發射陣元個數Μ由10變化到100。
[0086] 在雙基地ΜΙΜΟ雷達作用空域內存在一個目標，目標參數同仿真1中的目標相同，分 別采用本發明方法和傳統方法對目標回波信號進行處理，得到傳統方法的運算量和本發明 方法的運算量的比值如圖5所示，圖5為本發明方法和傳統信號處理方法的運算量比較示意 圖。
[0087] 由圖5可知，本發明方法的運算量一直小于傳統方法的運算量，且雙基地ΜΜ0雷達 包含的發射陣元個數越多，本發明方法的在運算量方面的優勢越明顯。
[0088] 綜上可知，本發明方法能夠以更低的運算量進行雙基地ΜΜ0雷達的信號處理，并 且仿真實驗驗證了本發明的正確性，有效性和可靠性。
[0089] 顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精 神和范圍；這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍 之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
【主權項】
1. 一種基于距離-方位禪合的雙基地ΜΙΜΟ雷達信號處理方法，其特征在于，包括w下步 驟： 步驟1，確定雙基地ΜΙΜΟ雷達包含Μ個發射陣元和N個接收陣元，并且獲取雙基地ΜΙΜΟ雷 達的發射信號S，W及Ν個接收陣元接收一個脈沖重復周期內雙基地ΜΙΜΟ雷達的脈沖回波X; 步驟2,分別確定雙基地ΜΙΜΟ雷達的發射信號波長λ、雙基地ΜΙΜΟ雷達Ν個接收陣元的陣 元間距山，W及雙基地ΜΙΜΟ雷達的接收波束指向θτ，并計算得到雙基地ΜΙΜΟ雷達的接收波束 權矢量Wr(0r)，然后根據Ν個接收陣元接收一個脈沖重復周期內雙基地ΜΙΜΟ雷達的脈沖回波 X，計算得到一個脈沖重復周期內雙基地ΜΙΜΟ雷達的波束形成回波y; 步驟3，設定雙基地ΜΙΜΟ雷達的初始發射角度為θ*〇，并根據雙基地ΜΙΜΟ雷達的發射信號 S，計算得到雙基地ΜΙΜΟ雷達的初始時空二維匹配濾波權矢量h(0t〇); 步驟4,利用雙基地ΜΙΜΟ雷達的初始時空二維匹配濾波權矢量h(0t〇)對一個脈沖重復周 期內雙基地ΜΙΜΟ雷達的波束形成回波y進行時空二維匹配濾波，得到雙基地ΜΙΜΟ雷達的初 始時空匹配濾波回波Ζ; 步驟5，設定雙基地ΜΙΜΟ雷達的采樣時間間隔為ts，并對雙基地ΜΙΜΟ雷達的初始時空匹 配濾波回波Ζ進行目標檢測，得到Κ個目標各自的初始距離;其中，Κ為雙基地ΜΙΜΟ雷達的初 始時空匹配濾波回波Ζ包含的目標個數； 步驟6，對Κ個目標各自的初始距離分別進行矯正，分別得到Κ個目標各自的真實距離； 其中，Κ為雙基地ΜΙΜΟ雷達的初始時空匹配濾波回波Ζ包含的目標個數。2. 如權利要求1所述的一種基于距離-方位禪合的雙基地ΜΙΜΟ雷達信號處理方法，其特 征在于，在步驟1中，所述雙基地ΜΙΜΟ雷達的發射信號S，W及所述Ν個接收陣元接收一個脈 沖重復周期內雙基地ΜΙΜΟ雷達的脈沖回波X，其表達式分別為： S二[S1，...，8皿，...，SM]T X二[XI，...，Xn，...，XN]T 其中，Sm為第m個發射陣元的發射信號，Sm= kml,…，Smq,…，SmQ]T，Smq為第m個發射陣元 的發射信號Sm的第q個發射信號點，me {1，2，…，M}，M為雙基地ΜΙΜΟ雷達包含的發射陣元個 數，9￡{1，2，-，，9}，9為雙基地1加0雷達1個發射陣元的發射信號點數;所述3。。為第111個發射 陣元的發射信號Sm的第q個發射信號點，Χη=[Χη1，…，站1，一而少，扯1為第0個接收陣元中第 1個采樣點的雙基地ΜΙΜΟ雷達的脈沖回波，le{l，2,- ，ne{l，2，···，Ν}，L為一個脈沖重 復周期內雙基地ΜΙΜΟ雷達的采樣點個數，N為雙基地ΜΙΜΟ雷達包含的接收陣元個數，[· ]τ 表示矩陣轉置。3. 如權利要求1所述的一種基于距離-方位禪合的雙基地ΜΙΜΟ雷達信號處理方法，其特 征在于，步驟2的子步驟為： (2a)分別確定雙基地ΜΙΜΟ雷達的發射信號波長λ、雙基地ΜΙΜΟ雷達Ν個接收陣元的陣元 間距山，W及雙基地ΜΙΜΟ雷達的接收波束指向θτ，并計算得到雙基地ΜΙΜΟ雷達的接收波束權 矢量Wr(0r)，其表達式為：其中，ne{l，2，…，N}，N為雙基地MIM0雷達包含的接收陣元個數，[·]τ表示矩陣轉置； (2b)利用雙基地ΜΙΜΟ雷達的接收波束權矢量Wr(0r)對N個接收陣元接收一個脈沖重復 周期內雙基地ΜΙΜΟ雷達的脈沖回波X進行波束形成，計算得到一個脈沖重復周期內雙基地 ΜΙΜΟ雷達的波束形成回波y，j=w,H(6.)義；其中，θτ為雙基地ΜΙΜΟ雷達的接收波束指向， [· ]Η表示矩陣共輛轉置。4. 如權利要求1所述的一種基于距離-方位禪合的雙基地ΜΙΜΟ雷達信號處理方法，其特 征在于，在步驟3中，所述雙基地ΜΙΜΟ雷達的初始時空二維匹配濾波權矢量Μ θ*〇)，其表達式 為：,d t為雙基地 ΜΙΜΟ雷達Μ個發射陣元的陣元間距；Γ為設定的QX Q維交換矩陣，其表達式為：[· r表示矩陣共輛，λ為雙基地ΜΙΜΟ雷達的發射信號波長。5. 如權利要求1所述的一種基于距離-方位禪合的雙基地ΜΙΜΟ雷達信號處理方法，其特 征在于，步驟4的子步驟為： (4a)對雙基地ΜΙΜΟ雷達的初始時空二維匹配濾波權矢量h(0t〇)和一個脈沖重復周期內 雙基地ΜΙΜΟ雷達的波束形成回波y分別進行L+Q-1點快速傅里葉變換(FFT)，得到快速傅里 葉變換后雙基地ΜΙΜΟ雷達發射信號的初始時空二維匹配濾波權矢量Η和快速傅里葉變換后 雙基地ΜΙΜΟ雷達的波束形成回波Υ，其表達式分別為： H=FFT 比(白t〇)]，Y=FFT[y] 其中，FFT[ ·]表示快速傅里葉變換，L表示一個脈沖重復周期內雙基地ΜΙΜΟ雷達的采 樣點個數，Q為雙基地ΜΙΜΟ雷達Μ個發射陣元的發射信號點數。 (4b)根據快速傅里葉變換后雙基地ΜΙΜΟ雷達發射信號的初始時空二維匹配濾波權矢 量Η和快速傅里葉變換后雙基地ΜΙΜΟ雷達的波束形成回波Υ，計算得到雙基地ΜΙΜΟ雷達的初 始波束回波 Ζ，Ζ = ΗΘΥ= 口 i，...，Zs，...，Zl+q-i]; 其中，Θ為計算兩個維數相同的矩陣對應元素的乘積，S e {1，2，…，L+Q-1}，Zs為雙基地 ΜΙΜΟ雷達的初始波束回波Z的第S個元素 ，Zs =出Ys，出為快速傅里葉變換后雙基地ΜΙΜΟ雷達 發射信號的初始時空二維匹配濾波權矢量Η的第S個元素，Ys為快速傅里葉變換后雙基地 ΜΙΜΟ雷達的波束形成回波Y的第S個元素； (4c)對雙基地ΜΙΜΟ雷達的初始波束回波Ζ進行逆快速傅里葉變換，得到逆快速傅里葉 變換后雙基地ΜΙΜΟ雷達的初始波束回波?，進而計算得到雙基地ΜΙΜΟ雷達的初始匹配濾波 回波Ζ，g = /廠廠問二口I，與，' ··為W-J，：二: 1化片1]，所述雙基地ΜΙΜΟ雷達的初始匹配濾 波回波Ζ由逆快速傅里葉變換后雙基地ΜΙΜΟ雷達的初始波束回波g的后L個元素組成，IFFT [·]表示逆快速傅里葉變換。6. 如權利要求1所述的一種基于距離-方位禪合的雙基地ΜΙΜΟ雷達信號處理方法，其特 征在于，在步驟5中，所述得到Κ個目標各自的初始距離，其過程為： 首先設定雙基地ΜΙΜΟ雷達的采樣時間間隔為ts，并利用恒虛警檢測算法對雙基地ΜΙΜΟ 雷達的初始匹配濾波回波Ζ進行目標檢測，得到Κ個目標各自所在的初始距離單元，其中第k 個目標所在的初始距離單元為Uko，k e {1，2，…，Κ}，又根據雙基地ΜΙΜΟ雷達的采樣時間間隔 ts，計算得至化個目標各自所在的距離單元大小A = Cts，C為光速，進而計算得至化個目標各 自的初始距離，其中第k個目標的初始距離為Rk〇 = Uk〇A，Κ為雙基地ΜΙΜΟ雷達的初始時空匹 配濾波回波Ζ包含的目標個數。7.如權利要求6所述的一種基于距離-方位禪合的雙基地ΜΙΜΟ雷達信號處理方法，其特 征在于，步驟6的子步驟為： (6a)初始化:ke{l，2，···，Κ}，k表示第k個目標，Κ為雙基地ΜΙΜΟ雷達的初始時空匹配濾 波回波Ζ包含的目標個數，k的初始值為1;設定Ρ為迭代次數，Ρ的初始值為0,并設定最大迭 代次數P; (6b)根據第k個目標所在的初始距離單元uko,從一個脈沖重復周期內雙基地ΜΙΜΟ雷達 的波束形成回波y中提取第k個目標的波束形成回波yk，其表達式為：其中，y[l:2Q+l]為一個脈沖重復周期內雙基地ΜΙΜΟ雷達的波束形成回波y中第1至第 2Q+1個元素，y[Uk〇-Q:Uk〇+Q]為一個脈沖重復周期內雙基地ΜΙΜΟ雷達的波束形成回波y中第 Uko-Q至第Uko+Q個元素 ，y α-Q-l: L+Q-U為一個脈沖重復周期內雙基地ΜΙΜΟ雷達的波束形 成回波y中第kQ-l至第L+Q-1個元素，Q為雙基地ΜΙΜΟ雷達Μ個發射陣元的發射信號點數，L 表示一個脈沖重復周期內雙基地ΜΙΜΟ雷達的采樣點個數，uko表示第k個目標所在的初始距 離單元； (6c)根據第P次迭代后第k個目標的初始距離Rkp、雙基地ΜΙΜΟ雷達的接收波束指向θτ和 雙基地ΜΙΜΟ雷達的基線長度D，計算得到第Ρ次迭代后第k個目標的發射角度0ktp，其表達式 為：其中，化rp為第P次迭代后第k個目標相對于雙基地ΜΙΜΟ雷達接收站的距離，Rkp為第P次 迭代后第k個目標的初始距離，所述雙基地ΜΙΜΟ雷達接收站為雙基地ΜΙΜΟ雷達包含的N個接 收陣元； (6d)根據第Ρ次迭代后第k個目標的發射角度0ktp和雙基地ΜΙΜΟ雷達的發射信號S，計算 得到第Ρ次迭代后第k個目標的時空二維匹配濾波權矢量h(0ktp)，%第9次迭代后第k個目標的發射角度0ktp方向上的導向矢 量，0ktp為第P次迭代后第k個目標的發射角度，[· ]H表示矩陣共輛轉置，Γ為設定的QXQ維 交換矩陣，其表達式為：(6e)利用第p次迭代后第k個目標的時空二維匹配濾波權矢量h( 0ktp)對第k個目標的波 束形成回波yk進行時空二維匹配濾波，得到第P次迭代后第k個目標的時空二維匹配回波 Zkp ; (6f)利用恒虛警檢測算法對第P次迭代后第k個目標的時空二維匹配回波zkp進行目標 檢測，并令P加1，得到第P次迭代后第k個目標的初始距離Rkp，Rkp=ukpA，ukp為利用恒虛警檢 測算法得到的第P次迭代后第k個目標所在的初始距離單元； (6g)判斷當前迭代次數P是否大于設定的最大迭代次數P，如果是，則執行(6h)，否則執 行(6c); (6h)此時計算得到第P次迭代后第k個目標的初始距離RkP，并將第P次迭代后第k個目標 的初始距離RkP作為第k個目標的真實距離化，然后令k加1，返回子步驟(6b);直到得到第K個 目標的真實距離化，此時得到了第1個目標的真實距離化到第K個目標的真實距離化，即得到 了 K個目標各自的真實距離。8.如權利要求7所述的一種基于距離-方位禪合的雙基地ΜΙΜΟ雷達信號處理方法，其特 征在于，所述第Ρ次迭代后第k個目標的時空二維匹配回波Zkp，其得到過程為： 首先對第P次迭代后第k個目標的時空二維匹配濾波權矢量K 0ktp)和第k個目標的波束 形成回波yk分別進行％-2點快速傅里葉變換(FFT)，分別得到第P次迭代后經過快速傅里葉 變換的第k個目標的時空二維匹配濾波權矢量Hkp和快速傅里葉變換后第k個目標的波束形 成回波化，其表達式分別為： Hkp = FFT 比（目ktp)]，& = FFT[yk] 其中，FFT[ ·]表示快速傅里葉變換，Q為雙基地ΜΙΜΟ雷達Μ個發射陣元的發射信號點 數； 然后根據第Ρ次迭代后經過快速傅里葉變換的第k個目標的時空二維匹配濾波權矢量 Hkp和快速傅里葉變換后第k個目標的波束形成回波Yk，計算得到第P次迭代后第k個目標的 回波輸出Zkp，其表達式為： Zkp = Hkp 曰 Yk= [Zl,... ,Zs, ...，Z3Q-2] 其中，θ為計算兩個維數相同的矩陣對應元素的乘積，s e {1，2，…，3Q-2}，Zs為第Ρ次迭 代后第k個目標的回波輸出Zkp的第S個元素 ，Zs =出Ys，Hs為快速傅里葉變換后第Ρ次迭代后 第k個目標的空二維匹配濾波權矢量Hkp的第S個元素，Ys為快速傅里葉變換后第k個目標的 波束形成回波化的第S個元素； 最后對第P次迭代后第k個目標的回波輸出Zkp進行逆快速傅里葉變換，得到第P次迭代 后經過逆快速傅里葉變換的回波輸出^，進而計算得到第P次迭代后第k個目標的時空二維 匹配回波Zkp; 其中，對第P次迭代后第k個目標的回波輸出Zkp進行3Q-2點逆快速傅里葉變換（IFFT)， 得到第P次迭代后經過逆快速傅里葉變換的第k個目標的回波輸出^， 宏哈=/斑巧馬]=巧秘，5郵，…，馬咕，...，乏。0-2腳]，g e {1，2，...，3Q-2}，Q為雙基地ΜΙΜΟ雷達Μ 個發射陣元的發射信號點數,?^為第Ρ次迭代后經過第g點逆快速傅里葉變換的第k個目標 的回波輸出，進而計算得到第P次迭代后第k個目標的時空二維匹配回波zkp， ^ =巧@, : : 如]表示第P次迭代后經過第Q點逆快速傅里葉變換的第k個 目標的回波輸出到第P次迭代后經過第3Q-2點逆快速傅里葉變換的第k個目標的回波輸出。
【文檔編號】G01S7/41GK105974388SQ201610471775
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月24日
【發明人】趙永波, 程增飛, 李慧, 劉宏偉, 蘇洪濤, 張盼盼
【申請人】西安電子科技大學