雙基地多輸入多輸出雷達(dá)多目標(biāo)跟蹤方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，更進(jìn)一步涉及雷達(dá)信號處理技術(shù)領(lǐng)域中一種雙基地多 輸入多輸出雷達(dá)多目標(biāo)跟蹤方法。本發(fā)明可用于實現(xiàn)多輸入多輸出雷達(dá)對空間多個運動目 標(biāo)的實時定位與跟蹤。
【背景技術(shù)】
[0002] 多輸入多輸出雷達(dá)在發(fā)射端利用多個發(fā)射天線發(fā)射相互正交的信號，接收端利用 天線接收目標(biāo)回波信號，并通過匹配濾波實現(xiàn)發(fā)射波形分集。利用波形分集，多輸入多輸出 雷達(dá)可以形成較大的虛擬陣列孔徑，增加雷達(dá)陣列自由度，從而提高可探測的目標(biāo)數(shù)。雙基 地多輸入多輸出雷達(dá)的目標(biāo)定位主要是對波離方向和波達(dá)方向的聯(lián)合估計問題。
[0003] Guo Y D, Zhang Y S 和 Tong N N 在論文 "Beamspace ESPRIT algorithm for bistatic ΜΙΜΟ radar"(Electronics Letters, 2011, 47(15) :876-878)中提出了一種有效 的波束域ESPRIT的波離方向和波達(dá)方向估計算法。該方法首先還原了在波束域變換時發(fā) 射陣列和接收陣列丟失的旋轉(zhuǎn)不變特性，然后利用旋轉(zhuǎn)不變性估計目標(biāo)發(fā)射角和目標(biāo)接收 角，實現(xiàn)目標(biāo)的參數(shù)估計。該方法雖然利用發(fā)射陣和接收陣的旋轉(zhuǎn)不變性估計波離方向和 波達(dá)方向，減少了計算時間，但是仍然存在的不足之處是，該方法在估計波離方向和波達(dá)方 向后，還需要對他們進(jìn)行額外匹配，在波束域轉(zhuǎn)換成非常低的維數(shù)時，估計性能顯著降低。
[0004] 哈爾濱工業(yè)大學(xué)所提出的專利申請"一種非圓信號雙基地MMO雷達(dá)低復(fù)雜度收 發(fā)角度聯(lián)合估計方法"（專利【申請?zhí)枴?01410206190. 2,公布號CN 103983952 A)公開了一 種雙基地MIMO雷達(dá)低復(fù)雜度收發(fā)角度聯(lián)合估計方法。該方法首先估計出目標(biāo)發(fā)射角，再利 用目標(biāo)發(fā)射角的估計值估計出目標(biāo)接收角，目標(biāo)發(fā)射角和目標(biāo)接收角二維參數(shù)自動配對， 得到多個目標(biāo)相對于發(fā)射端的目標(biāo)發(fā)射角和相對于接收端的目標(biāo)接收角。該方法雖然利用 非圓信號特性增大了 MMO雷達(dá)的虛擬孔徑，實現(xiàn)了可識別目標(biāo)的最大化，但是仍然存在的 不足之處是，該方法是一種目標(biāo)定位的批處理方法，需要在一個相干處理時間內(nèi)利用多個 發(fā)射脈沖來進(jìn)行目標(biāo)定位，且由于該方法假設(shè)目標(biāo)在一個相干處理時間內(nèi)，其空間位置不 發(fā)生改變，或目標(biāo)小幅運動，因此僅能用于多個目標(biāo)的定位，而無法實現(xiàn)實時跟蹤目標(biāo)的運 動軌跡。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有方法的不足，提出了一種雙基地多輸入多輸出雷 達(dá)多目標(biāo)跟蹤方法，實現(xiàn)了多輸入多輸出雷達(dá)對空間多個運動目標(biāo)的實時定位與跟蹤。
[0006] 實現(xiàn)本發(fā)明的基本思想是首先建立雙基地多輸入多輸出雷達(dá)多目標(biāo)信號模型，再 利用目標(biāo)先驗信息對目標(biāo)位置進(jìn)行預(yù)估計，從而對陣列響應(yīng)矩陣初始化，然后利用當(dāng)前發(fā) 射的探測脈沖信號對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配濾波，再采用自適應(yīng)非對稱聯(lián)合對角化方法，利用 匹配濾波后的數(shù)據(jù)矩陣，更新陣列響應(yīng)矩陣，計算目標(biāo)波離方向和波達(dá)方向，從而確定目標(biāo) 當(dāng)前位置，重復(fù)發(fā)射脈沖信號，實現(xiàn)對運動目標(biāo)的跟蹤。
[0007] 本發(fā)明的具體步驟如下：
[0008] (1)建立信號模型：
[0009] 利用空間中雷達(dá)陣列天線的方向矢量，建立雙基地多輸入多輸出雷達(dá)多目標(biāo)信號 模型，得到發(fā)射陣列天線和接收陣列天線的陣列響應(yīng)矩陣以及雷達(dá)天線接收端的接收數(shù)據(jù) 矩陣；
[0010] ⑵初始化：
[0011] (2a)將目標(biāo)的波離方向和波達(dá)方向的先驗信息，作為待跟蹤目標(biāo)的位置預(yù)估計 值；
[0012] (2b)將待跟蹤目標(biāo)的位置預(yù)估計值，代入發(fā)射陣列天線和接收陣列天線的陣列響 應(yīng)矩陣，計算得到發(fā)射陣列天線和接收陣列天線的陣列響應(yīng)矩陣初始值；
[0013] (3)匹配濾波：
[0014] (3a)脈沖信號發(fā)生器發(fā)射探測脈沖信號，將探測脈沖信號的樣本數(shù)目作為采樣數(shù) 目，對雷達(dá)天線接收端接收到的信號進(jìn)行采樣，得到接收數(shù)據(jù)；
[0015] (3b)對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配濾波，得到匹配濾波后的接收數(shù)據(jù)矩陣；
[0016] (4)更新陣列響應(yīng)矩陣：
[0017] (4a)利用匹配濾波后的接收數(shù)據(jù)矩陣，按照下式，計算陣列響應(yīng)矩陣的估計誤 差：
【主權(quán)項】
1. 一種雙基地多輸入多輸出雷達(dá)多目標(biāo)跟蹤方法，包括如下步驟： (1) 建立信號模型： 利用空間中雷達(dá)陣列天線的方向矢量，建立雙基地多輸入多輸出雷達(dá)多目標(biāo)信號模 型，得到發(fā)射陣列天線和接收陣列天線的陣列響應(yīng)矩陣以及雷達(dá)天線接收端的接收數(shù)據(jù)矩 陣； (2) 初始化： (2a)將目標(biāo)的波離方向和波達(dá)方向的先驗信息，作為待跟蹤目標(biāo)的位置預(yù)估計值； (2b)將待跟蹤目標(biāo)的位置預(yù)估計值，代入發(fā)射陣列天線和接收陣列天線的陣列響應(yīng)矩 陣，計算得到發(fā)射陣列天線和接收陣列天線的陣列響應(yīng)矩陣初始值； (3) 匹配濾波： (3a)脈沖信號發(fā)生器發(fā)射探測脈沖信號，將探測脈沖信號的樣本數(shù)目作為采樣數(shù)目， 對雷達(dá)天線接收端接收到的信號進(jìn)行采樣，得到接收數(shù)據(jù)； (3b)對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配濾波，得到匹配濾波后的接收數(shù)據(jù)矩陣； (4) 更新陣列響應(yīng)矩陣： (4a)利用匹配濾波后的接收數(shù)據(jù)矩陣，按照下式，計算陣列響應(yīng)矩陣的估計誤差：
其中，J表示陣列響應(yīng)矩陣的估計誤差，Σ表示作求和操作，p表示當(dāng)前脈沖信號發(fā)生 器發(fā)射的探測脈沖信號個數(shù)，η表示脈沖信號發(fā)生器發(fā)射的每一個探測脈沖信號個數(shù)，η的 取值范圍為η = 1，. . .，ρ，β表示遺忘因子，β的取值范圍為O < β < 1，Rn表示第η個 脈沖信號發(fā)生器發(fā)射的探測脈沖信號期間匹配濾波后的接收數(shù)據(jù)矩陣，B表示接收陣列天 線陣列響應(yīng)矩陣，Γ η表示第η個脈沖信號發(fā)生器發(fā)射的探測脈沖信號期間由待跟蹤目標(biāo)的 雷達(dá)截面積和多普勒頻移所確定的對角矩陣，A表示發(fā)射陣列天線陣列響應(yīng)矩陣，I I · I I2 表示取范數(shù)的平方操作，（·）H表示復(fù)共軛操作； (4b)按照下式，計算前一個脈沖信號發(fā)生器發(fā)射的探測脈沖信號所對應(yīng)的虛擬陣列響 應(yīng)矩陣： X(p-l) = A*(p-1)0 B(p-l) 其中，X(P-I)表示第P-I個脈沖信號發(fā)生器發(fā)射的探測脈沖信號所對應(yīng)的虛擬陣列響 應(yīng)矩陣，A(p-l)表示第p-Ι個脈沖信號發(fā)生器發(fā)射的探測脈沖信號期間發(fā)射陣列天線陣列 響應(yīng)矩陣，B (p-Ι)表示第p-Ι個脈沖信號發(fā)生器發(fā)射的探測脈沖信號時接收陣列天線陣列 響應(yīng)矩陣，(·)Θ(·)表示作克羅內(nèi)克乘積運算，（· Γ表示共軛操作； (4c)將匹配濾波后的數(shù)據(jù)矩陣列向量化，得到匹配濾波后的接收數(shù)據(jù)矩陣列向量化后 的列向量； (4d)按照下式，計算當(dāng)前脈沖信號發(fā)生器發(fā)射的探測脈沖信號期間： dp = Xt (p - l)r_p 其中，dp表示第ρ個脈沖信號發(fā)生器發(fā)射的探測脈沖信號期間，由待跟蹤目標(biāo)的雷達(dá)截 面積和多普勒頻移所確定的對角矩陣的對角元素形成的列向量，X(P-I)表示第p-Ι個脈沖 信號發(fā)生器發(fā)射的探測脈沖信號所對應(yīng)的虛擬陣列響應(yīng)矩陣，rp表示第p個脈沖信號發(fā)生 器發(fā)射的探測脈沖信號期間匹配濾波后的接收數(shù)據(jù)矩陣列向量化后的列向量，（十表示作 矩陣的偽逆操作； (4e)按照下式，計算當(dāng)前脈沖信號發(fā)生器發(fā)射的探測脈沖信號期間： ?(ρ) = β?(ρ ^1)+dpdf 其中，D(p)表示第p個脈沖信號發(fā)生器發(fā)射的探測脈沖信號期間，由待跟蹤目標(biāo)的雷 達(dá)截面積和多普勒頻移所確定的對角矩陣的對角元素，形成的列向量的自相關(guān)矩陣，β表 示遺忘因子，β的取值范圍為〇< β <l，D(p-l)表示第p-Ι個脈沖信號發(fā)生器發(fā)射的探 測脈沖信號期間，由對角矩陣的對角元素構(gòu)成的列向量的自相關(guān)矩陣，\表示由第p個脈沖 信號發(fā)生器發(fā)射的探測脈沖信號期間，由對角矩陣的對角元素形成的列向量，（·） H表示復(fù) 共軛操作； (4f)按照下式，計算當(dāng)前脈沖信號發(fā)生器發(fā)射的探測脈沖信號期間： Q(P) = -1) + 其中，Q(P)表示第P個脈沖信號發(fā)生器發(fā)射的探測脈沖信號期間，匹配濾波后的接收 數(shù)據(jù)矩陣列向量化后的列向量，與由待跟蹤目標(biāo)的雷達(dá)截面積和多普勒頻移所確定的對角 矩陣的對角元素形成的列向量，二者的互相關(guān)矩陣，β表示遺忘因子，β的取值范圍為〇 < β < 1，Q(P-I)表示由第P-I個脈沖信號發(fā)生器發(fā)射的探測脈沖信號期間，匹配濾波后 的接收數(shù)據(jù)矩陣列向量化后的列向量，與由對角矩陣的對角元素形成的列向量的互相關(guān)矩 陣，r p表示第ρ個脈沖信號發(fā)生器發(fā)射的探測脈沖信號期間，匹配濾波后的接收數(shù)據(jù)矩陣列 向量化后的列向量，\表示由第p個脈沖信號發(fā)生器發(fā)射的探測脈沖信號期間，由對角矩陣 的對角元素形成的列向量，（·） H表示復(fù)共軛操作； (4g)按照下式，計算當(dāng)前脈沖信號發(fā)生器發(fā)射的探測脈沖信號所對應(yīng)的虛擬陣列響應(yīng) 矩陣： X(p) = Q(^)Dt(P) 其中，X(P)表示第P個脈沖信號發(fā)生器發(fā)射的探測脈沖信號所對應(yīng)的虛擬陣列響應(yīng)矩 陣，Q(P)表示第P個脈沖信號發(fā)生器發(fā)射的探測脈沖信號期間，匹配濾波后的接收數(shù)據(jù)矩 陣列向量化后的列向量，與由待跟蹤目標(biāo)的雷達(dá)截面積和多普勒頻移所確定的