CN112068082B - 基于全极化共形mimo雷达的目标极化参数估计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了基于全极化共形MIMO雷达的目标极化参数估计方法，用于解决目标极化参数估计精度低，计算复杂度高的问题，其实现步骤是：设置全极化共形MIMO雷达的天线排列形式；全极化共形MIMO雷达的接收端接收回波信号矩阵；计算接收波束形成的权值；获得极化通道回波信号；计算脉冲压缩权值；获取目标极化参数估计。本发明利用共形阵列和接收波束形成的权值，使得目标极化参数估计精度提高，可用于全极化共形MIMO雷达对运动目标的识别，跟踪和检测。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及雷达技术领域中的一种基于全极化共形多输入多输出MIMO(Multiple Input Multiple Output)雷达的目标极化参数估计方法。本发明估计的运动目标极化参数，可用于全极化共形MIMO雷达对运动目标的识别，跟踪和检测。
背景技术
共形阵天线是指附着于载体表面且与载体贴合的阵列天线，即需要将阵列天线共形安装在一个固定形状的表面上，从而形成非平面的共形天线阵。在现代无线通信系统中，共形阵天线由于能够与飞机、导弹以及卫星等高速运行的载体平台表面相共形，且并不破坏载体的外形结构及空气动力学等特性，称为天线领域的一个研究热点。MIMO雷达系统中使用多对收发天线同时收发信号，可以分别从不同的方位照射被测目标，进而检测到更多的关于被测目标的特征信息。MIMO雷达使用彼此相互正交的波形，大大降低了对雷达本身以及来自其他系统的干扰，提高了雷达的检测与参数估计性能。相比于常规雷达，MIMO雷达具有更高的自由度。
杭州电子科技大学在其申请的专利文献“一种低复杂度的极化参数估计跟踪装置及方法”(专利申请号CN2019111094363，申请公开号CN110837075A)中公开了一种低复杂度的极化参数估计跟踪装置及方法。该装置包括天线信号处理模块和极化参数估计模块，所述天线信号处理模块包括若干子阵信号处理模块，将混合双极化天线阵列接收到的模拟信号波束成型并转换为数字信号；所述极化参数估计模块用于将天线信号处理模块输出进行信号处理，估计来波极化参数。该方法存在的不足之处是平面相控阵在大范围扫描时主瓣展宽，副瓣升高，使得目标极化参数估计精度低。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于全极化共形MIMO雷达的目标极化参数估计方法。本发明利用全极化共形MIMO雷达的接收波束形成的权值对回波信号矩阵相乘进行相位补偿得到极化通道回波信号，利用脉冲压缩权值对极化通道回波信号进行脉冲压缩并以矢量形式排列，得到目标极化参数估计，解决了现有技术中目标极化参数估计精度低，计算复杂度高的问题。
实现本发明目的的思路是：设置全极化共形MIMO雷达的天线排列形式；全极化共形MIMO雷达的接收端接收回波信号矩阵；计算接收波束形成的权值；获得极化通道回波信号；计算脉冲压缩权值；获取目标极化参数估计。
为实现上述目的，本发明具体实现步骤包括如下：
(1)设置全极化共形MIMO雷达的天线排列形式：
设置包含水平和垂直两种排列方式的全极化共形MIMO雷达的天线排列形式，通过全极化共形MIMO雷达的共形阵列发射端发射MIMO信号；
(2)全极化共形MIMO雷达的接收端接收回波信号矩阵；
(3)按照下式，计算接收波束形成的权值：
V＝Ar *(QQH)-1
其中，V表示全极化共形MIMO雷达的接收波束形成的权值，Ar表示全极化共形MIMO雷达的极化接收天线波束，(·)*表示共轭操作，Q表示全极化共形MIMO雷达的接收天线阵列指向空间方向θ处的极化参数，(·)H表示共轭转置操作，(·)-1表示求伪逆操作；
(4)获得极化通道回波信号：
用接收波束形成的权值对回波信号矩阵相乘进行相位补偿，得到极化通道回波信号；
(5)按照下式，计算脉冲压缩权值：
其中，U表示脉冲压缩权值，S表示全极化共形MIMO雷达的发射信号，Ns表示全极化共形MIMO雷达中发射信号的码元总数，At表示全极化共形MIMO雷达的极化发射天线波束，Rs表示全极化共形MIMO雷达的发射信号的协方差矩阵；
(6)获取目标极化参数估计：
利用脉冲压缩权值对极化通道回波信号进行脉冲压缩并以矢量形式排列，得到目标极化参数估计：
其中，表示目标极化参数估计，vec(·)表示矢量操作，B表示全极化共形MIMO雷达的接收天线阵列接收的回波信号矩阵。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，本发明通过全极化共形MIMO雷达的共形阵列发射端发射MIMO信号，克服了现有技术中平面相控阵在大范围扫描时主瓣展宽，副瓣升高的缺点，使得本发明具有目标极化参数估计精度高的优点。
第二，本发明利用接收波束形成的权值对回波信号矩阵相乘进行相位补偿，克服了现有技术中分别利用水平和垂直极化方向数字波束输出信号估计极化参数计算复杂度高的缺点，使得本发明具有目标极化参数计算复杂度低的优点。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明仿真实验中目标极化参数估计的星座图；
图3为本发明仿真实验中目标极化参数估计均方误差随信噪比变化的曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
参照附图1，对本发明实现的具体步骤作进一步的描述。
步骤1，设置全极化共形MIMO雷达的天线排列形式。
设置包含水平和垂直两种排列方式的全极化共形MIMO雷达的天线排列形式，通过全极化共形MIMO雷达的共形阵列发射端发射MIMO信号。
步骤2，全极化共形MIMO雷达的接收端接收回波信号矩阵。
步骤3，按照下式，计算接收波束形成的权值：
V＝Ar *(QQH)-1
其中，V表示全极化共形MIMO雷达的接收波束形成的权值，Ar表示全极化共形MIMO雷达的极化接收天线波束，(·)*表示共轭操作，Q表示全极化共形MIMO雷达的接收天线阵列指向空间方向θ处的极化参数，(·)H表示共轭转置操作，(·)-1表示求伪逆操作。
步骤4，获得极化通道回波信号。
用接收波束形成的权值对回波信号矩阵相乘进行相位补偿，得到极化通道回波信号。
步骤5，按照下式，计算脉冲压缩权值：
其中，U表示脉冲压缩权值，S表示全极化共形MIMO雷达的发射信号，Ns表示全极化共形MIMO雷达中发射信号的码元总数，At表示全极化共形MIMO雷达的极化发射天线波束，Rs表示全极化共形MIMO雷达的发射信号的协方差矩阵。
步骤6，获取目标极化参数估计。
利用脉冲压缩权值对极化通道回波信号进行脉冲压缩并以矢量形式排列，得到目标极化参数估计：
其中，表示目标极化参数估计，vec(·)表示矢量操作，B表示全极化共形MIMO雷达的接收天线阵列接收的回波信号矩阵。
上述目标极化参数估计公式是由以下步骤得到的。
第一步，按照下式，计算全极化共形MIMO雷达的极化发射天线波束和极化接收天线波束：
At＝diag(at(θ))PT
Ar＝diag(ar(φ))QT
其中，At表示全极化共形MIMO雷达的极化发射天线波束，diag(·)表示将向量转换成对角矩阵操作，at(θ)表示全极化共形MIMO雷达的发射天线阵列指向空间方向θ处的发射阵列导向矢量，P表示全极化共形MIMO雷达的发射天线阵列指向空间方向θ处的极化参数，(·)T表示转置操作，Ar表示全极化共形MIMO雷达的极化接收天线波束，表示全极化共形MIMO雷达的接收天线阵列指向空间方向θ处的接收阵列导向矢量，Q表示全极化共形MIMO雷达的接收天线阵列指向空间方向θ处的极化参数。
第二步，利用匹配滤波矢量化公式，对全极化共形MIMO雷达的接收端接收的回波信号矩阵进行匹配滤波后以矢量形式排列，得到匹配滤波后的回波信号矢量：
其中，r表示匹配滤波后的回波信号矢量，vec(·)表示矢量操作，S表示全极化共形MIMO雷达的发射信号波形，(·)H表示共轭转置操作，B表示全极化共形MIMO雷达的接收天线阵列接收的回波信号矩阵，Ns表示全极化共形MIMO雷达中发射信号的码元总数。
第三步，按照下式，计算两个极化接收天线波束的权值：
其中，W表示全极化共形MIMO雷达的两个极化接收天线波束的权值，表示Kronecker积操作，Rs表示全极化共形MIMO雷达的发射信号的协方差矩阵。
第四步，利用两个极化接收天线波束的权值，对匹配滤波后的回波信号矢量进行相位补偿并归一化处理，获得如下的目标极化参数估计：
其中，表示目标极化参数估计，I表示单位矩阵，(·)-1表示求伪逆操作。
下面通过仿真对本发明的效果做进一步说明。
1.仿真条件：
本发明的仿真是在MATLAB R2019a的软件环境下进行的。
2.仿真内容：
本发明仿真实验采用多功能发射和接收阵列的全极化共形MIMO雷达，共形阵的天线排列形式设置为5个水平极化天线和5个垂直极化天线，目标方位角为发射天线阵列极化参数为/>接收天线阵列极化参数为目标极化散射矩阵为/>信噪比SNR＝-10dB。
3.仿真实验和效果分析：
本发明仿真实验通过仿真全极化共形MIMO雷达连续接收100次目标回波信号，采用本发明的方法获得目标极化参数估计结果如图2和图3所示。
图2为本发明仿真实验中目标极化参数估计的星座图。其中，图2中的横坐标表示实部，纵坐标表示虚部。图2中“·”表示极化参数估计值，“×”表示极化参数真实值。由图2可见，通过比较极化参数估计值和极化参数真实值，目标极化参数估计值与真实值大致相当，说明本发明获得的目标极化参数估计具有较高的估计精度。
图3为本发明仿真实验中目标极化参数估计均方误差随信噪比变化的曲线图。其中，图3中的横坐标表示信噪比，纵坐标表示目标极化参数估计均方误差。图3中的曲线表示目标极化参数估计均方误差随信噪比变化的情况。通过图3中的曲线可以看出随着信噪比的增加，目标极化参数估计均方误差降低，估计精度不断提升，因此本发明获得的目标极化参数估计具有较高的估计精度。
Claims (1)
1.基于全极化共形MIMO雷达的目标极化参数估计方法，其特征在于，设置全极化共形MIMO雷达的天线排列形式，利用接收波束形成权值对回波信号矩阵进行相位补偿，利用脉冲压缩权值对极化通道回波信号进行脉冲压缩，该方法的具体步骤包括如下：
(1)设置全极化共形MIMO雷达的天线排列形式：
设置包含水平和垂直两种排列方式的全极化共形MIMO雷达的天线排列形式，通过全极化共形MIMO雷达的共形阵列发射端发射MIMO信号；
(2)全极化共形MIMO雷达的接收端接收回波信号矩阵；
(3)按照下式，计算接收波束形成的权值：
V＝Ar *(QQH)-1
其中，V表示全极化共形MIMO雷达的接收波束形成的权值，Ar表示全极化共形MIMO雷达的极化接收天线波束，(·)*表示共轭操作，Q表示全极化共形MIMO雷达的接收天线阵列指向空间方向θ处的极化参数，(·)H表示共轭转置操作，(·)-1表示求伪逆操作；
(4)获得极化通道回波信号：
用接收波束形成的权值对回波信号矩阵相乘进行相位补偿，得到极化通道回波信号；
(5)按照下式，计算脉冲压缩权值：
其中，U表示脉冲压缩权值，S表示全极化共形MIMO雷达的发射信号，Ns表示全极化共形MIMO雷达中发射信号的码元总数，At表示全极化共形MIMO雷达的极化发射天线波束，Rs表示全极化共形MIMO雷达的发射信号的协方差矩阵；
(6)获取目标极化参数估计：
利用脉冲压缩权值对极化通道回波信号进行脉冲压缩并以矢量形式排列，得到目标极化参数估计：
其中，表示目标极化参数估计，vec(·)表示矢量操作，B表示全极化共形MIMO雷达的接收天线阵列接收的回波信号矩阵。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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