[发明专利]多载频MIMO雷达高速目标角度估计方法

摘要

本发明公开了一种多载频MIMO雷达高速目标角度估计方法，主要解决现有技术估计高速相干和非相干混合目标角度精度差的问题。其实现步骤是：1）利用多载频MIMO雷达得到高速目标回波信号；2）对高速目标回波信号进行通道分离，得到通道分离后的信号；3）对通道分离后的信号进行离散傅里叶变换DFT，得到高速目标信号；4）对高速目标信号，利用双边相关变换TCT算法进行聚焦变换，得到聚焦后的高速目标信号；5）对聚焦后的高速目标信号，利用酉旋转不变子空间ESPRIT算法估计其高速目标角度。本发明能实现对高速相干和非相干混合目标角度的精度估计，可用于高速目标检测。

主权项

一种多载频MIMO雷达高速目标角度估计方法，包括如下步骤：(1)利用多载频MIMO雷达得到高速目标回波信号，并对该回波信号进行通道分离及离散傅里叶变换DFT，得到高速目标信号X；(2)利用双边相关变换TCT算法对高速目标信号X进行聚焦，得到聚焦后的高速目标信号X_FT和聚焦信号频率f_γ；(3)根据聚焦后的高速目标信号X_FT，利用酉旋转不变子空间ESPRIT算法估计高速目标角度：3a)利用聚焦后的高速目标信号X_FT，构造信号重构矩阵Z：$Z=\left[\begin{array}{cc}{X}_{\mathrm{FT}}& J_{N_r}{X}_{\mathrm{FT}}^{*}{J}_M\end{array}\right]$其中，是维数为N_r×N_r的交换矩阵，J_M是维数为M×M的交换矩阵，上标*表示对矩阵进行共轭运算，N_r表示多载频MIMO雷达接收天线的个数，M表示多载频MIMO雷达发射的脉冲个数；3b)将信号重构矩阵Z进行实酉变换，得到实酉变换矩阵T(Z)：$T\left(Z\right)=Q_{N_r}^H{\mathrm{ZQ}}_{2M}$其中，是维数为N_r×N_r的稀疏矩阵，Q_2M是维数为2M×2M的稀疏矩阵，上标H表示对矩阵进行共轭转置；3c)计算实酉变换矩阵T(Z)的协方差矩阵：并对该协方差矩阵R_T进行特征值分解，得到信号子空间矩阵E_s；3d)利用信号子空间矩阵E_s分别构造实和信号子空间矩阵U_s1，及虚差信号子空间矩阵U_s2：U_s1＝H₁E_sU_s2＝H₂E_s其中，H₁为实和变换矩阵：H₂为虚差变换矩阵：是维数为(N_r‑1)×(N_r‑1)的稀疏矩阵，是维数为(N_r‑1)×(N_r‑1)维的单位阵，0是维数为(N_r‑1)×1的零矩阵，是维数为N_r×N_r的稀疏矩阵，j表示虚数单位；3e)利用实和信号子空间矩阵U_s1和虚差信号子空间矩阵U_s2，构造总体最小二乘矩阵G：$G=\left[\begin{array}{c}{U}_{s1}^H\\ U_{s2}^H\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{U}_{s1}& U_{s2}\end{array}\right]$3f)对总体最小二乘矩阵G进行特征值分解得到特征向量矩阵V_G，再将该特征向量矩阵V_G分解成四个维数均为P×P的矩阵，即：$V_G=\left[\begin{array}{cc}{V}_{11}& V_{12}\\ V_{21}& V_{22}\end{array}\right],$其中V₁₁左上子矩阵、V₁₂右上子矩阵、V₂₁左下子矩阵及V₂₂右下子矩阵，其中，P表示高速目标的个数；3g)利用右上子矩阵V₁₂和右下子矩阵V₂₂计算旋转不变矩阵Ψ′：${\mathrm{\Ψ}}^{\′}=-V_{12}{V}_{22}^{-1}$其中，上标‑1表示对矩阵求逆矩阵；3h)对旋转不变矩阵Ψ′进行特征值分解，得到P个特征值λ_q，q＝1,2,…,P，再利用这P个特征值求出P个旋转不变角度：β_q＝2arctanλ_q，q＝1,2,…,P；3i)利用这P个旋转不变角度，求得P个高速目标的角度估计值：${\widehat{\mathrm{\θ}}}_q=\arcsin \left[\frac{c{\mathrm{\β}}_q{f}_{\mathrm{\γ}}}{2\mathrm{\π}{d}_r}\right],q=\mathrm{1,2},...,P$其中，c表示电磁波的传播速度，d_r表示接收天线的间距。