[發明專利]空域色噪聲背景下的雙基地MIMO雷達角度估算方法

有效

• 申請號: 201710033413.3
• 申請日: 2017-01-18
• 公開（公告）號: CN107064926B
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 文方青;賴文慧;王可;李飛濤;熊曉東
• 申請（專利權）人: 長江大學
• 主分類號: G01S13/88
• 分類號: G01S13/88
• 代理公司: 武漢河山金堂專利事務所(普通合伙) 42212
• 代理人: 胡清堂

本發明公開了一種空域色噪聲背景下的雙基地MIMO雷達角度估算方法，其通過構建接收陣列數據在匹配濾波后的協方差矩陣；并通過協方差矩陣構建傳播算子，得到傳播算子估計的最優解；根據傳播算子估計的最優解獲得陣列信號子空間的估計；最后通過子空間的旋轉不變特性通過最小二乘的方法獲取配對的角度。本發明所提算法無需高復雜度的SVD運算或者HOSVD運算，計算復雜度低；且能夠獲得自動配對的DOD與DOA，無需進一步進行配對計算，適用于任何協方差矩陣位置的空域色噪聲背景，算法魯棒性高。

技術領域

本發明涉及一種雷達信號處理技術，具體的說涉及一種空域色噪聲背景下的雙基地MIMO雷達角度估算方法。

背景技術

多輸入多輸出(Multiple-input Multiple-output，MIMO)系統是未來通信、探測等領域的核心技術之一，也是近年來研究的熱點技術之一。在雷達探測領域，MIMO雷達將是最具前景的下一代雷達系統。與現有相控陣雷達系統不同，MIMO雷達采用多發多收的信號處理模式，利用分集增益大大改善目標探測性能。相比傳統相控陣雷達系統，MIMO雷達在分辨率、抗衰落性、可辨識性以及抑制噪聲等方面具有潛在的優勢。根據MIMO雷達收發陣元配置的不同，可以將MIMO雷達劃分為兩類：統計MIMO雷達和共址MIMO雷達。其中，統計MIMO雷達采樣分布式收發陣元配置，即收發陣元廣泛的分布在空間中，這種陣元分布模式可以有效的抑制目標的雷達截面系數閃爍的問題；共址MIMO雷達中的發射陣元和接收陣元一般采用陣列的形式分布，陣元間距往往較近，這種雷達可以獲得高精度的目標方位信息。本發明主要關注雙基地MIMO雷達，其為共址雷達的重要一類。

角度估計是共址MIMO雷達目標定位的關鍵任務之一，目前關于共址MIMO雷達角度估計已有很多優秀的算法。典型的算法有Capon算法、多重譜峰分類(Multiple SignalClassification，MUSIC)算法、基于旋轉不變技術的參數估計(Estimation Method ofSignal Parameters via Rotational，ESPRIT)算法、傳播算子(Propagator Method，PM)算法、高階子空間分解(Higher Order Singular Value Decomposition，HOSVD)算法、平行因子(Parallel Factor，PARAFAC)算法、基于稀疏表示的估計算法等等。然而上述算法均假設接收噪聲為理想高斯白噪聲的背景。在實際工程中，由于陣元在空間分布的間距過小，很容易使陣元相互影響從而產生空域色噪聲。在存在空域色噪聲的條件下，上述角度估計算法性能會下降，特別是在低信噪比條件下，算法性能會嚴重下降甚至完全失效。雙基地MIMO雷達中的色噪聲問題已經引起部分學者的注意，目前已經有部分學者提出利用MIMO雷達的陣列數據互協方差抑制色噪聲。按照抑制色噪聲的原理的不同，可以將現有抑制色噪聲的算法劃分為兩大類——空域協方差算法和時域協方差算法。前者主要是利用不同匹配濾波器輸出的色噪聲不相關的性質，后者主要利用了不同快拍的空域色噪聲不相關特性。前者的典型代表有Jin等人的算法(Jin M,Liao G,Li J.Joint DOD and DOA estimation forbistatic MIMO radar[J].Signal Processing,2009,89(2):244-251.)Chen等人的算法(ANew Method for Joint DOD and DOA Estimation in bistatic MIMO Radar)、Jiang等人的算法(Jiang H,Zhang J K,Wong K M.Joint DOD and DOA Estimation for BistaticMIMO Radar in Unknown Correlated Noise[J].IEEE Transactions on VehicularTechnology,2015,64(11):5113-5125.)、Wang等人的算法(Wang X,Wang W,Li X,et al.Atensor-based subspace approach for bistatic MIMO radar in spatial colorednoise[J].Sensors,2014,14(3):3897-3907.)。其中Jin等人的算法雖然能有效抑制空域色噪聲，但其僅適用于三個發射陣元的MIMO雷達；Chen等人將發射陣元分為兩個子陣，利用兩個子陣數據的互協方差抑制色噪聲，該算法適用于多于三個陣元的MIMO雷達配置；Jiang等人將收發陣元均分成兩個子陣，該算法需要估計四維角度；Wang等人的算法能在抑制色噪聲的同時利用陣列數據的多維結構，從而提升角度估計精度。空域協方差算法的最大缺陷是陣列虛擬孔徑的損失，從而降低了參數估計的精度，基于時域協方差的色噪聲抑制算法能有效的避免該缺陷。這類算法主要有符渭波等人的算法(符渭波,蘇濤,趙永波,等.空間色噪聲環境下基于時空結構的雙基地MIMO雷達角度和多普勒頻率聯合估計方法[J].電子與信息學報,2011,33(7):1649-1654.)和Wen等人的算法(Wen F Q,Xiong X D,Su J,etal.Angle Estimation for bistatic MIMO Radar in The Presence of SpatialColored Noise,Signal Processing,accepted,2017,doi:10.1016/j.sigpro.2016.12.017.)。其中，Wen等人的算法能有效利用陣列數據的多維結構，獲得比符渭波等人算法更好的角度數估計的精度。然而上述時域協方差算法均存在計算復雜度大的問題，如符渭波等人的算法需要對陣列協方差數據進行奇異值分解(Singular ValueDecomposition，SVD)，Wen等人的算法需要構造陣列互協方差張量，并對張量數據進行HOSVD，計算復雜度相比SVD更大。在MIMO雷達探測中，收發陣元往往有成千上萬個，這些陣元將產生海量的數據。無論是SVD與HOSVD均無法勝任實際雷達系統的計算要求，因而上述算法并不適用實際MIMO雷達系統，尋求一種高效的色噪聲背景下參數估計算法對未來MIMO雷達工程化具有非常急迫的現實意義。