双基地mimo雷达均匀圆阵角度多普勒频率估计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于雷达信号处理技术领域，特别涉及一种双基地MMO雷达均匀圆阵角 度多普勒频率估计方法，实现雷达目标相对于发射机和接收机的方位角和俯仰角的参数估 计，以及雷达目标归一化多普勒频率的准确估计。
【背景技术】
[0002] 传统双基地雷达利用雷达目标分别相对于接收机的角度和距离来对雷达目标进 行定位，由于传统双基地雷达的接收机与发射机均难以满足精确的时间同步，并且其角度 分辨率与测距精度均比较低，导致对雷达目标定位的精度低。采用MMO技术的双基地雷 达，即双基地MMO雷达，可以在接收机获得发射机的角度信息，在不需要时间同步和雷达 目标距离和的情况下，能够对雷达目标进行精确定位，得到雷达目标的坐标位置以及雷达 目标速度。双基地MIMO雷达通常采用接收机和发射机的分置结构实现，其结构的主要特点 是，发射机置于雷达目标后方，接收机置于无人机上，使得能够避免雷达电磁波双程传播带 来的威力损失，提高雷达目标的信噪比。
[0003] 哈尔滨工程大学申请的专利技术"双基地多输入多输出雷达多目标定位方法"（申 请号201110001351.0,公布号CN 102135617 A)中公开了一种双基地多输入多输出雷达 多目标定位方法，该方法利用ESPRIT算法虽能得到雷达目标的位置，但由于其接收机与发 射机均为均匀线阵，使得在接收端只能得到雷达目标分别相对于接收机与发射机的两个角 度，而该雷达目标是三维坐标唯一确定的，因此该方法无法进行空间雷达目标的方位角和 俯仰角参数估计。
[0004]西安电子科技大学申请的专利技术"多输入多输出雷达系统目标定位方法"（申请 号200810150754. X，公开号CN 101349748A)中公开了一种多输入多输出MMO雷达目标定 位的方法，该方法虽能够实现雷达目标的精确定位，但也只能确定雷达目标位置的二维坐 标，无法对空间雷达目标的方位角和俯仰角参数估计。
[0005]西安电子科技大学申请的专利技术"双基地米波雷达目标三维精确定位方法"（专 利【申请号】201218001807. 9)中公开了一种双基地多输入多输出雷达的多目标三维定位方 法，该方法利用ESPRIT方法估计雷达目标相对于均匀线阵的接收角，并利用模式激励法估 计雷达目标相对于均匀圆阵的方位角与俯仰角，但是该方法却无法对归一化多普勒频率实 现同步估计，也无法实现对雷达目标进行跟踪。
【发明内容】
[0006] 针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提出一种双基地MMO雷达均 匀圆阵角度多普勒频率估计方法，该方法摒弃利用均为线阵的发射阵和接收阵对雷达目标 进行位置估计，而是选用均为均匀圆阵的发射机和接收机实现雷达目标分别相对于该发射 机和接收机的方位角和俯仰角的参数估计，并得到雷达目标的归一化多普勒频率估计值。
[0007] 本发明的实现思路：分别将双基地MMO雷达的发射机配置为M个阵元的均匀圆 阵，接收机配置为N个阵元的均匀圆阵，并使发射机中M个阵元发射正交信号，再使接收 机中的N个阵元分别接受该发射机中M个阵元发射的正交信号，并进行匹配滤波，依次得 到匹配滤波后的雷达回波信号和L次快拍积累得到的匪XL维矩阵，进而得到该匪XL维 矩阵中任意一个接收阵元的MXL维切片矩阵形式，然后利用平行因子算法分别得到发射 方向估计矩阵、接收方向估计矩阵和归一化多普勒频率方向估计矩阵，最后利用最小二乘 算法分别估计雷达目标相对于发射机的方位角和俯仰角、雷达目标相对于接收机的方位角 和俯仰角的参数估计，以及雷达目标的归一化多普勒频率估计值，实现本发明目的。
[0008] 为达到上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
[0009] -种双基地MMO雷达均匀圆阵角度多普勒频率估计方法，其特征在于，包括以下 步骤：
[0010] 步骤1，分别将双基地MMO雷达的发射机配置为M个阵元的均匀圆阵，接收机配 置为N个阵元的均匀圆阵，并使发射机中M个阵元发射相互正交的波形信号；其中，M表 示发射机阵元个数，N表示接收机阵元个数，且M、N均为自然数；
[0011]步骤2,利用发射机中M个阵元发射相互正交的波形信号，接收机中的N个阵元 分别接收该发射机中M个阵元发射相互正交的波形信号，并进行匹配滤波，依次得到匹配 滤波后的匪X 1维雷达回波信号X和L次快拍积累得到的匪X L维矩阵X，进而得到L次快 拍积累得到的匪XL维矩阵X中第n个接收阵元的MXL维切片矩阵形式Xn;其中，M表示 发射机阵元个数，n G {1，2,…，N}，N表示接收机阵元个数，L表示快拍次数，且M、N、L均为 自然数；
[0012] 步骤3,根据L次快拍积累得到的匪XL维矩阵X中第n个接收阵元的MXL维切 片矩阵形式X n，利用平行因子算法分别得到发射方向估计矩阵&、接收方向估计矩阵 和归一化多普勒频率方向估计矩阵B ;
[0013] 步骤4,根据发射方向估计矩阵又r，利用最小二乘算法得到K个雷达目标分别相 对于发射机的方位角估计值向量&和俯仰角估计值向量^ ;根据接收方向估计矩阵又R，利 用最小二乘算法估计K个雷达目标分别相对于接收机的方位角估计值向量氣和俯仰角估 计值向量I;
[0014]步骤5,根据归一化多普勒频率方向估计矩阵§，利用最小二乘算法得到第1^个雷 达目标的归一化多普勒频率估计值}^，进而得到K个雷达目标的多普勒频率估计值向量 Jrf ;其中，I表示由K个归一化多普勒频率估计值~ 排成的列向量，也为K个雷达 目标的多普勒频率估计值向量，k G {1，2,…，K}，K表示空间雷达目标个数，且K为自然数。
[0015] 本发明与现有技术相比，具有以下优点：
[0016] 第一，本发明采用多输入多输出技术，能够克服现有技术利用雷达目标距离对雷 达目标进行定位的不足，以及发射信号带宽较小时，雷达目标距离误差增大，雷达目标的定 位误差随之增大的缺点，使得本发明能够根据基线长度、雷达目标的角度、双基地雷达配置 的几何关系，对雷达目标进行定位，具有定位精度不依赖于发射信号带宽的优点；
[0017] 第二，本发明通过利用平行因子算法分别得到发射方向估计矩阵、接收方向估计 矩阵和归一化多普勒频率方向估计矩阵，同时也能估计得到雷达目标相对于发射机的方位 角和俯仰角，以及雷达目标相对于接收机的方位角和俯仰角，还有雷达目标的归一化多普 勒频率，能够克服现有技术需要进行角度多普勒配对的缺点，使得利用本发明能够实现雷 达目标相对于发射机和接收机的方位角和俯仰角的参数估计同时，也能够得到雷达目标的 归一化多普勒频率估计值，实现雷达目标的实时跟踪；
[0018] 第三，本发明利用平行因子算法估计得到雷达目标分别相对于发射机和接收机的 方位角和俯仰角，以及归一化多普勒频率，计算复杂度低，无需谱峰搜索。
【附图说明】
[0019] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0020] 图1为本发明的一种双基地MMO雷达均匀圆阵角度多普勒频率估计方法实现流 程图；
[0021] 图2为本发明的双基地雷达配置不意图；
[0022] 图3a)为用本发明方法仿真不同信噪比情况下雷达目标1分别相对于接收机的俯 仰角和方位角的估计值误差图，
[0023] 图3b)为用本发明方法仿真不同信噪比情况下雷达目标1分别相对于发射机的俯 仰角和方位角的估计值误差图，
[0024] 图3c)为用本发明方法仿真不同信噪比情况下雷达目标2分别相对于接收机的俯 仰角和方位角的估计值误差图，
[0025] 图3d)为用本发明方法仿真不同信噪比情况下雷达目标2分别相对于发射机的俯 仰角和方位角的估计值误差图，
[0026] 图3e)为用本发明方法仿真不同信噪比情况下两个雷达目标多普勒频率估计值 的误差图；
[0027] 图4a)为用本发明方法仿真不同半径情况下雷达目标1分别相对于接收机的俯仰 角和方位角的估计值误差图；
[0028] 图4b)为用本发明方法仿真不同半径情况下雷达目标1分别相对于发射机的俯仰 角和方位角的估计值误差图，
[0029] 图4c)为用本发明方法仿真不同半径情况下雷达目标2分别相对于接收机的俯仰 角和方位角的估计值误差图，
[0030] 图4d)为用本发明方法仿真不同半径情况下雷达目标2分别相对于发射机的俯仰 角和方位角的估计值误差图。
【具体实施方式】
[0031] 参照图1，为本发明的一种双基地MIMO雷达均匀圆阵角度多普勒频率估计方法实 现流程图，该种双基地MIMO雷达均匀圆阵角度多普勒频率估计方法，包括以下步骤：
[0032] 步骤1，分别将双基地MMO雷达的发射机配置为M个阵元的均匀圆阵，接收机配 置为N个阵元的均匀圆阵，并使发射机中M个阵元发射相互正交的波形信号；其中，M表 示发射机阵元个数，N表示接收机阵元个数，且M、N均为自然数。
[0033] 具体地，参照图2,为本发明的双基地雷达配置示意图，在其该三维直角坐标系中， 点0为坐标系原点，坐标轴正方向满足右手螺旋规则。发射机为均匀圆阵，圆心为坐标系原 点0,半径为r，其阵元个数M = 2floor (2 JT r/ A )+1，floor ( ?)表示向下取整运算，X表 示发射阵所发射波的波长；接收机也为均匀圆阵，圆心为点A，半径也为r，其阵元个数N = 2floor (2 Jr r/ A )+1，点B表示雷达目标在三维坐标系xoyz中的空间位置，点C表示雷达目 标在xoy平面的投影点，点D表示点C在X轴的投影点，OB与z轴正方向的夹角<i> t表示雷 达目标相对于发射阵的俯仰角，OC与X轴正方向的夹角9 4表示雷达目标相对于发射阵的 方位角，BA与z轴正方向的夹角表示雷达目标相对于接收阵的俯仰角，CA与X轴负方 向的夹角吣表示雷达目标相对于接收阵的方位角，OA的长度为发射机与接收机之间的距 离。
[0034] 步骤2,利用发射机中M个阵元发射相互正交的波形信号，接收机中的N个阵元 分别接收该发射机中M个阵元发射相互正交的波形信号，并进行匹配滤波，依次得到匹配 滤波后的匪X 1维雷达回波信号