專利名稱：多輸入多輸出雷達(dá)系統(tǒng)目標(biāo)定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及多輸入多輸出雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用，具體地 說是一種多輸入多輸出雷達(dá)系統(tǒng)的目標(biāo)定位方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)前隱形飛機(jī)的出現(xiàn)使得傳統(tǒng)的單發(fā)單收雷達(dá)受到了很大的挑戰(zhàn)。由于隱形飛 機(jī)外形設(shè)計使得將照射其上的電磁波大部分反射到其他方向上，因此一種多輸入 多輸出MIMO雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)運而生，成為當(dāng)前研究的熱點。區(qū)別于傳統(tǒng)的相控陣?yán)走_(dá) 發(fā)射的相干波形，MIMO雷達(dá)發(fā)射正交或相關(guān)波形。在MIMO接收機(jī)中，使用一組匹 配濾波器提取正交波形分量。目前有兩種MIMO雷達(dá)。 一類是統(tǒng)計MIMO雷達(dá)，各 個天線彼此遠(yuǎn)離，獲得目標(biāo)不同角度的回波，以獲取空間分集增益，減少信號衰 落。另一種是共置MIM0，即發(fā)射天線相距較近。目標(biāo)的雷達(dá)橫截面積對所有的發(fā) 射天線都近似相同，可以得到更大的陣列虛擬孔徑，提高系統(tǒng)的自由度。
在定位方面，無線通信領(lǐng)域研究較多。目標(biāo)定位通常采用傳播時間、到達(dá)時間 差TD0A和到達(dá)方向角A0A的混合算法。但在MIM0雷達(dá)目標(biāo)定位中，A0A不需要雷 達(dá)間的時間同步，可以節(jié)省成本，能在移動中快速組網(wǎng)，提高雷達(dá)戰(zhàn)場的生存能 力。同時隨著陣列信號處理技術(shù)的成熟，D0A的估計精度越來越高，因此基于A0A 定位重新得到重視。其基本原理是通過多部雷達(dá)同時對同一目標(biāo)進(jìn)行測向，各個 交叉線的交叉點就是目標(biāo)的位置。在A0A定位方法中，基于最小二乘算法使用最 多，但定位精度卻不高。其原因是方向估計因陣列流形等原因存在誤差，導(dǎo)致 系數(shù)矩陣不精確，而最小二乘算法建立在系數(shù)矩陣精確已知的基礎(chǔ)上，因此從統(tǒng) 計觀點看最小二乘法不再是最優(yōu)的，它將是有偏的，而且偏差的協(xié)方差將由于系數(shù) 矩陣的誤差的作用而增加。雖然總體最小二乘僅在系數(shù)誤差矩陣具有不相關(guān)性， 且具有相同方差的條件下非常有效，但在目標(biāo)定位中，這一條件不存在，因而不
能精確地對目標(biāo)位置進(jìn)行定位。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，提高一種多輸入多輸出雷達(dá)系統(tǒng)
目標(biāo)定位方法，以實現(xiàn)對空中目標(biāo)的精確定位。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的目標(biāo)定位方法包括如下步驟
1) M個發(fā)射機(jī)發(fā)射正交的線性調(diào)頻信號，N個接收機(jī)相互遠(yuǎn)離，并接收該線 性調(diào)頻信號，M〉3,N〉3;
2) 每個接收機(jī)的匹配濾波器將接收到的線性調(diào)頻信號進(jìn)行波形匹配；
3) 計算每個接收機(jī)的匹配濾波器輸出信號功率，并確定最大信噪比的線性 調(diào)頻信號；
4) 利用MUSIC方法對最大信噪比的線性調(diào)頻信號進(jìn)行高分辨方向估計，得 到方向《，z:l,…,W;
5) 根據(jù)高分辨方向估計《，采用約束總體最小二乘法對目標(biāo)進(jìn)行定位，得 到目標(biāo)的二維位置坐標(biāo)(x，y)。
本發(fā)明由于考慮了方向估計誤差，采用約束總體最小二乘法對目標(biāo)進(jìn)行定位， 能夠做到無偏估計，提高了目標(biāo)定位精度；同時由于采用多個發(fā)射機(jī)發(fā)射線性調(diào) 頻信號，因而能抗目標(biāo)衰落，增強(qiáng)了對隱身目標(biāo)的檢測和定位能力。


圖1是本發(fā)明目標(biāo)定位的流程圖2是本發(fā)明的仿真內(nèi)容示意圖3是本發(fā)明的仿真結(jié)果曲線圖。
具體實施例方式
參照圖l，本發(fā)明的目標(biāo)探測按如下步驟進(jìn)行-
步驟l:發(fā)射調(diào)頻信號并接收目標(biāo)回波信號。
M個發(fā)射機(jī)發(fā)射線性調(diào)頻信號<formula>formula see original document page 5</formula> ，其中t為時間變量，這M個信號 相互正交。f,(t)經(jīng)過目標(biāo)反射后，被第j個接收機(jī)接收到，用 f;(t)表示，其中， 是與目標(biāo)反射和路徑損耗有關(guān)的量,j^,…,N。當(dāng)M個發(fā)射信號反射后，第j個
接收機(jī)接收到的信號為<formula>formula see original document page 5</formula>，其中rij表示干擾和噪聲。
步驟2:回波信號的匹配處理。
在第j個接收機(jī)內(nèi)對目標(biāo)回波采用M個匹配濾波器進(jìn)行波形匹配，輸出信號
為
其中f;(t)為第i個匹配濾波器的匹配信號。
步驟3:選擇最大信噪比的線性調(diào)頻信號。
對第i個匹配濾波器的輸出信號yij(t)，搜索其峰值，即Pi， i:l，…，M;選擇這
M個峰值中最大者，其對應(yīng)的線性調(diào)頻信號為第j個接收機(jī)接收的最大信噪比信號， 用fkj(t)表示，k表示序號。
步驟4:目標(biāo)回波的方向估計。
采用MUSIC方法估計出最大信噪比信號fkj(t)的方向《，其處理過程如下 (4a)將fkj(t)時間離散化為fkj 44j(l),fkj(2),…f^(L)]，每個接收機(jī)有P個陣元
構(gòu)成的陣列天線，則第P個陣元接收到的離散信號矢量為fj =[fkjl,"',fkjP，"',fkjP]T ， 其中T表示轉(zhuǎn)置；
(4b)由公式Cj = fjf計算最大信噪比信號fj的協(xié)方差矩陣Cj，并對該矩陣進(jìn)
角度即為目標(biāo)回波信號的到達(dá)方向，其中，a(《)為第j個接收機(jī)陣列天線的導(dǎo)向 矢量。
步驟5:采用約束總體最小二乘算法得到目標(biāo)位置坐標(biāo)，其過程如下
(5a)根據(jù)得到的目標(biāo)回波信號到達(dá)方向構(gòu)成參數(shù)矩陣為
(4c)搜索MUSIC譜R(《)二
峰值，確定該峰值對應(yīng)的角度《，該
式中(Xj,yj)為第j個接收機(jī)位置坐標(biāo)，j=l,'"，N;
(5b)構(gòu)造權(quán)矩陣為:
<formula>formula see original document page 7</formula>
式中，<formula>formula see original document page 7</formula>，
INxN表示NxN單位陣，diag()表示形成單位對角陣;
(5c)根據(jù)式(1)和式(2)求解下式，得到目標(biāo)位置坐標(biāo)X= (x， y) t。
<formula>formula see original document page 7</formula>
式中T為矩陣轉(zhuǎn)置，H為矩陣共扼轉(zhuǎn)置。
本發(fā)明的效果可通過以下仿真說明
1、 仿真條件與內(nèi)容
如圖2所示，目標(biāo)l的位置坐標(biāo)為(50， 10)，目標(biāo)2的位置坐標(biāo)為(15，12), 單位為公里。有4個接收機(jī)，這些接收機(jī)的位置坐標(biāo)分別為(0， 0)， (10， 0)， (0， 20 ) ， ( 30 ， 30 )， 波達(dá)方向真值分別為 《=arctan0.2,《=arctan0.25,《=—arctan0.2,6>4 =;r/4 ，給這些角度加一個均值為
0，方差分別為0.01、 0.02， 0.04,0.06， 0.08， 0.10， 0. 12的方向估計誤差。分 別采用最小二乘、總體最小二乘和約束總體最小二乘法對定位誤差分別進(jìn)行仿真。
2、 仿真結(jié)果
如圖3所示，當(dāng)方向誤差較小時，三種方法定位性能相近，這說明對誤差對 最小二乘和總體最小二乘法的定位影響較小，然而當(dāng)方向誤差較大的時候，系數(shù) 矩陣不再精確，從而導(dǎo)致最小二乘和總體最小二乘法定位性能下降很大。在同樣 的方向測量誤差下，總體最小二乘算法和普通最小二乘法性能相當(dāng)，而約束總體 最小二乘法則有較好的定位精度。
從圖3可以看出，本發(fā)明采用的約束總體最小二乘法對目標(biāo)1和目標(biāo)2進(jìn)行 定位，比已有的最小二乘和總體最小二乘法定位性能好。例如，位于位置(15， 12)處的目標(biāo)2對各個MIM0接收機(jī)的方向角差異較大，即各個接收機(jī)以較大差異 的視角觀測目標(biāo)，使得接收機(jī)測定方向上的交截區(qū)域變小，其外接圓半徑，即均 方誤差變小。實際上這種視角的差異不但對目標(biāo)定位有利，而且適合MIMO雷達(dá)獲
得空間分集增益，提高了對隱身目標(biāo)的檢測能力。
綜上，本發(fā)明采用約束總體最小二乘法能夠有效提高目標(biāo)定位精度。
權(quán)利要求
1.一種多輸入多輸出雷達(dá)系統(tǒng)目標(biāo)定位方法，包括如下步驟1)M個發(fā)射機(jī)發(fā)射正交的線性調(diào)頻信號，N個接收機(jī)相互遠(yuǎn)離，并接收該線性調(diào)頻信號，M＞3，N＞3；2)每個接收機(jī)的匹配濾波器將接收到的線性調(diào)頻信號進(jìn)行波形匹配；3)計算每個接收機(jī)的匹配濾波器輸出信號功率，并確定最大信噪比的線性調(diào)頻信號；4)利用MUSIC方法對最大信噪比的線性調(diào)頻信號進(jìn)行高分辨方向估計，得到方向θi，i＝1，…，N；5)根據(jù)高分辨方向估計θi，采用約束總體最小二乘法對目標(biāo)進(jìn)行定位，得到目標(biāo)的二維位置坐標(biāo)(x，y)。
2、根據(jù)權(quán)利要求書所述的目標(biāo)定位方法，其中步驟(5)所述的采用約束總體 最小二乘法對目標(biāo)進(jìn)行定位，按如下步驟進(jìn)行5a)根據(jù)高分辨估計得到的方向構(gòu)成參數(shù)矩陣:<formula>formula see original document page 2</formula><formula>formula see original document page 2</formula>(1)式中(Xj，y》為第j個接收機(jī)位置坐標(biāo)，j:l,…，N;5b)構(gòu)造權(quán)矩陣:<formula>formula see original document page 2</formula>(2)式中<formula>formula see original document page 2</formula><formula>formula see original document page 2</formula>IwM表示NxN單位陣，diag()表示形成單位對角陣; 5c)根據(jù)式(l)和式(2)對以下(3)式求解,得到目標(biāo)位置坐標(biāo)X^x,y)'<formula>formula see original document page 3</formula>(3)式中，T為矩陣轉(zhuǎn)置，H為矩陣共扼轉(zhuǎn)置-
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多輸入多輸出MIMO雷達(dá)目標(biāo)定位的方法，主要解決現(xiàn)有在MIMO雷達(dá)中利用最小二乘法對目標(biāo)定位精度低的缺點。利用系數(shù)矩陣誤差存在相關(guān)性的特點，采用約束總體最小二乘法進(jìn)行目標(biāo)定位，其過程是對各個充分遠(yuǎn)離的發(fā)射機(jī)發(fā)射正交信號；在接收機(jī)處利用發(fā)射信號的正交性用匹配濾波的方法分離各發(fā)射陣元的回波信號；然后各個接收機(jī)對目標(biāo)回波進(jìn)行測向，得到目標(biāo)角度；最后用約束總體最小二乘法，實現(xiàn)目標(biāo)的精確定位。本發(fā)明具有定位精度高的優(yōu)點，可用于跟蹤和制導(dǎo)中對空中目標(biāo)的定位。
文檔編號G01S7/02GK101349748SQ20081015075
公開日2009年1月21日 申請日期2008年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月29日
發(fā)明者廖桂生, 毅 曲, 軍 李 申請人:西安電子科技大學(xué)