[發明專利]一種穩健的大陣列MIMO雷達目標收發角聯合估計方法

有效

• 申請號: 201710563441.6
• 申請日: 2017-07-11
• 公開（公告）號: CN107167785B
• 公開（公告）日: 2019-10-01
• 發明（設計）人: 姜宏;姚順優;張銘航;聶希柱;孫晶;劉暢;龐帥軒;李頌;董思妍;劉美儀
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01S7/41
• 分類號: G01S7/41
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司 22100
• 代理人: 魏征驥

本發明提供一種穩健的大陣列MIMO雷達目標收發角聯合估計方法，屬于多輸入多輸出雷達目標參數估計領域。該方法基于線性收縮和隨機矩陣理論，其實現步驟包括：利用回波信號構造觀測數據的隨機矩陣模型，在非高斯噪聲背景下，通過定點迭代求得其協方差矩陣的極大似然估計，當收發陣元數大于快拍數時，利用線性收縮技術得到穩健的協方差矩陣估計，利用圍線積分、Stieltjes變換以及留數定理構造穩健的代價函數，對代價函數進行譜峰搜索求解目標收發角。優點是所提出方法在非高斯噪聲背景下具有穩健的估計性能，同時適用于收發陣元數大于快拍數的大陣列系統。

技術領域

本發明屬于多輸入多輸出(MIMO)雷達目標參數估計領域；涉及收發陣元數與快拍數相接近的大陣列MIMO雷達系統；涉及非高斯噪聲背景下雙基地MIMO雷達的目標收發角聯合估計；涉及收發陣元數大于快拍數情況下的MIMO雷達目標收發角度估計。

背景技術

雷達(Radar)通過發射無線電波來檢測目標并測定目標的空間位置，從而對目標進行定位。作為一種新體制雷達，多輸入多輸出(MIMO)雷達由多個發射天線同時發射多個信號探測目標，并使用多個接收天線接收目標回波信號，通過采用多種可區分的發射信號(本發明采用正交信號)，為雷達引入參數上有差異的目標觀測通道。由于各收發通道之間采用相干處理，MIMO雷達可充分利用收發陣元獲得虛擬孔徑，提高收發角估計的性能。

MIMO雷達的目標收發角聯合估計問題，是指在噪聲背景下對陣列接收的回波信號進行有效處理，進而對目標的發射角(DOD)和接收角(DOA)進行估計。根據發射接收天線的陣列布局不同，MIMO雷達可分為分布式MIMO雷達和集中式MIMO雷達兩類。分布式MIMO雷達的發射天線之間距離較遠以獲得空間分集增益；集中式MIMO雷達的發射陣列和接收陣列的各個陣元間距通常在半波長以內，通過相干處理提高估計增益，比如單/雙基地MIMO雷達。在雙基地MIMO雷達中，利用收發角聯合估計可實現目標定位?，F有的收發角聯合估計方法主要有2D-Capon方法、2D-MUSIC方法、分維ESPRIT方法等。這些方法雖然能有效估計出收發角度，但仍存在很多問題亟需解決，主要包括：(1)現有方法通常將噪聲模型簡化為理想的高斯噪聲，其分布函數為正態分布；而在實際環境中，噪聲不是簡單的高斯噪聲，而是表現為一些非高斯特性，比如服從重尾分布，若仍采用高斯噪聲背景下的目標參數估計方法，將導致估計性能嚴重下降；(2)現有方法的前提條件都是假定收發陣元數遠遠小于快拍數，而當收發陣元數大于快拍數時，在求解采樣協方差矩陣定點迭代的過程中會出現因秩缺失而無解的問題，此時無法對收發角度進行有效估計；(3)現有方法所考慮的MIMO雷達系統均假設快拍數足夠多，而實際中，當快拍數與收發陣元數相接近時，現有估計方法不再適用。在實際的雷達例如超視距MIMO雷達系統中，往往會出現收發陣元數與快拍數相接近甚至收發陣元數大于快拍數的情況，即大陣列系統。迄今為止，非高斯噪聲背景下大陣列MIMO雷達系統的目標收發角聯合問題一直是一個難題。

近年來，隨機矩陣理論在金融數學、核物理、數字通信等領域應用日益廣泛，已成為學術界的一個新的研究熱點。然而，隨機矩陣理論在大陣列MIMO雷達目標參數估計領域的應用研究甚少，尤其是在非高斯噪聲背景且收發陣元數大于快拍數情況下，針對大陣列雙基地MIMO雷達的目標收發角聯合估計方法，國內外尚未見相關成果的研究報道。

隨機矩陣漸進譜理論是符合理想高斯噪聲背景下大陣列MIMO雷達目標收發角聯合估計的有效方法。然而，實際環境中，噪聲往往不再服從正態分布，而是呈現重尾分布。針對非高斯噪聲情況，由于采樣協方差矩陣將不再是統計協方差矩陣的一致性估計，導致高斯噪聲背景下提出的收發角聯合估計方法不再適用。為解決這一問題，人們利用極大似然估計對采樣協方差矩陣進行定點迭代，作為協方差矩陣的一致估計。然而，當陣元數大于快拍數時，定點迭代的過程中會出現因秩缺失而無解的情況，這一問題是目前亟待解決的難題。