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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201410727711.9 (22)申请日 2014.12.03 G01S 13/06(2006.01) (71)申请人 西安电子科技大学 地址 710071 陕西省西安市太白南路 2 号 (72)发明人 赵永波 朱玉堂 刘宏伟 水鹏朗 程增飞 李慧 (74)专利代理机构 陕西电子工业专利中心 61205 代理人 王品华 朱红星 (54) 发明名称 MIMO 雷达估计目标方向的快速方法 (57) 摘要 本发明公开了一种 MIMO 雷达估计目标方向 的快速方法， 主要解决现有估计方法运算量大的 问题， 其实现步骤是 ： 1) 根据雷达发射。
2、波形 S 中 任意一个阵元的发射波形和雷达接收数据获得目 标方向的粗估值2) 根据雷达发射波形 S 和 目标方向的粗估值在方向搜索区间内分别计 算最大似然算法在发射端和接收端的代价函数值 ft(n) 和 fr(n)， 并将其进行对应相加， 得到一 组合成函数值 f(n) ； 3) 通过合成函数值确定目 标方向的最终估计值 ：本发明 在保证目标方向估计精度的前提下， 大大降低了 运算量， 易于工程实现， 可用于 MIMO 雷达目标跟 踪。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 10445。
3、9680 A (43)申请公布日 2015.03.25 CN 104459680 A 1/2 页 2 1. 一种 MIMO 雷达估计目标方向的快速方法， 包括如下步骤 ： 1) 根据雷达发射波形 S 中任意一个阵元的发射波形 sk和雷达接收数据 X 获得目标方 向的粗估值其中T 表示矩阵的转置， Mt为 发射天线的阵元数 ； 2) 根据雷达发射波形 S 和目标方向的粗估值在方向搜索区间 内分别计算出最 大似然算法在发射端和接收端的代价函数值 ft(n) 和 fr(n)， 其中 n为 内的均匀采 样点， n 1,2,N， N 为采样点数 ； 3) 在方向搜索区间内把发射端和接收端的最大似然算法代。
4、价函数值对应相加， 得到一 组合成函数值 ： f(n) ft(n)+fr(n)， 并通过合成函数值确定目标方向的最终估计值 ： 2. 根据权利要求 1 所述的一种 MIMO 雷达估计目标方向的快速方法， 其特征在于， 步骤 1) 所述的根据雷达发射波形 S 中任意一个阵元的发射波形 sk和雷达接收数据 X 获得目标 方向的粗估值按如下步骤进行 ： 1a) 利用雷达发射天线任意一个阵元的发射波形 sk对雷达接收数据 X 进行共轭匹配， 得到匹配数据 ：其中 L 为雷达发射波形的长度， H 表示矩阵的共轭转置 ； 1b) 根 据 匹 配 数 据 y0，利 用 最 大 似 然 算 法 获 得 目 标。
5、 方 向 的 粗 估 值 ： 其中为接收阵列在 n方向的 导向矢量。 3. 根据权利要求 1 所述的一种 MIMO 雷达估计目标方向的快速方法， 其特征在于， 步骤 2) 所述的根据雷达发射波形 S 和目标方向的粗估值在方向搜索区间 内分别计算最 大似然算法在发射端和接收端的代价函数值 ft(n) 和 fr(n)， 按如下步骤进行 ： 2a) 计算最大似然算法在发射端的代价函数值 ： 2a1) 利用目标方向的粗估值对雷达接收数据 X 进行波束形成， 得到波束形成数据 ： 2a2) 利用雷达发射波形 S 对波束形成数据 yt1进行共轭匹配， 得到匹配数据 ： yt2 yt1S/L ； 2a3) 。
6、利用匹配数据 yt2在方向搜索区间 内计算最大似然算法的代价函数值 ： 其中和分别为发 射阵列和接收阵列在 n和方向的导向矢量 ； 权 利 要 求 书 CN 104459680 A 2 2/2 页 3 2b) 计算最大似然算法在接收端的代价函数值 ： 2b1) 根 据 雷 达 发 射 波 形 S 和 目 标 方 向 的 粗 估 值设 计 一 个 空 时 滤 波 器 ： 2b2) 利 用 空 时 滤 波 器 Wst对 雷 达 接 收 数 据 X 进 行 匹 配 滤 波， 得 到 匹 配 数 据 ： 2b3) 利用匹配数据 yr在方向搜索区间 内计算最大似然算法的代价函数值 ： 其中为发射阵列在方。
7、向的导向矢量。 权 利 要 求 书 CN 104459680 A 3 1/4 页 4 MIMO 雷达估计目标方向的快速方法 技术领域 0001 本发明属于雷达技术领域， 具体的说是一种 MIMO 雷达估计目标方向的快速方法， 可用于 MIMO 雷达目标跟踪。 背景技术 0002 MIMO 雷达是受通信界成熟的 MIMO 技术启发， 而被提出的一个概念， 它在发射端和 接收端都使用阵列天线， 且发射互不相干如正交的信号。由于 MIMO 雷达应用了分集技术， 扩充了天线的有效孔径， 提高了雷达对目标方向的估计精度和目标检测性能。目前 MIMO 雷达的研究主要集中在两种不同形式的系统 ： 其一是基于。
8、相控阵体制的波形分集 MIMO 雷 达， 即集中式 MIMO 雷达 ； 其二是基于多基地或多站点雷达的空间分集 MIMO 雷达， 即分布式 MIMO雷达。 第一类MIMO雷达系统充分考虑到现有相控阵雷达的特点， 其雷达单元之间的间 距足够小， 采用相干处理各单元发射的信号。第二类 MIMO 雷达是构建在多基地或多站点雷 达系统基础上， 其收发单元间距足够大， 从而使得各单元信号相互独立， 以此获得空间分集 增益提高雷达的检测和估计性能。本发明主要涉及集中式 MIMO 雷达的测角问题。 0003 最大似然算法是一种高分辨的空间谱估计方法， 由于它不仅能够在单次快拍接收 数据下进行有效估计， 而且。
9、能够直接处理相干信源， 因而得到了广泛的应用。MIMO 雷达对 目标方向估计的现有方法都是从常规相控阵雷达的目标方向估计方法中扩展过来， 如基于 最大似然的 MIMO 雷达目标方向估计算法， I.Bekkerman,J.Tabrikian,Target detection and localization using MIMO radars and sonars,IEEE Transactions on Signal Processing 54(10)(2006)38733883。 虽然该算法可以有效地估计出目标方向， 但却存在 运算量大的缺陷， 不适合工程应用。 发明内容 0004 本发明的。
10、目的在于针对上述已有技术的缺陷， 在常规相控阵雷达最大似然算法的 基础上提出一种 MIMO 雷达估计目标方向的快速方法， 以在保证目标方向估计精度的前提 下， 降低运算量， 便于目标方向估计系统的工程实现。 0005 为实现上述目的， 本发明采用的技术方案包括如下步骤 ： 0006 1) 根据雷达发射波形 S 中任意一个阵元的发射波形 sk和雷达接收数据 X 获得目 标方向的粗估值其中T表示矩阵的转置， Mt 和 Mr分别为发射阵列和接收阵列的阵元数， L 为雷达发射波形的长度 ； 0007 2) 根据雷达发射波形 S 和目标方向的粗估值在方向搜索区间 内分别计算 出最大似然算法在发射端和接收。
11、端的代价函数值 ft(n) 和 fr(n)， 其中 n为 内的均 匀采样点， n 1,2,N， N 为采样点数 ； 0008 3) 在方向搜索区间内把发射端和接收端的最大似然算法代价函数值对应相加， 得 到一组合成函数值 ： f(n) ft(n)+fr(n)， 并通过合成函数值确定目标方向的最终估 说 明 书 CN 104459680 A 4 2/4 页 5 计值 ： 0009 本发明与现有技术相比减小了运算量。现有基于最大似然的 MIMO 雷达目标方向 估计算法是直接在维数较大的发射接收联合阵列上进行处理， 运算量较大， 而本发明是先 分别得到维数较小的发射阵列和接收阵列的代价函数， 然后通。
12、过两个代价函数的和值确定 目标方向， 因而运算量会大大下降。 0010 仿真结果表明， 本发明的目标方向估计精度接近基于最大似然的 MIMO 雷达目标 方向估计算法， 特别是在高信噪比的情况下， 两者基本相同， 但本发明的运算量小很多。 附图说明 0011 图 1 是本发明使用的天线阵列模型图 ； 0012 图 2 是本发明的实现流程图 ； 0013 图3是用本发明方法与基于最大似然的MIMO雷达目标方向估计算法， 即传统最大 似然算法， 对目标方向估计的精度随信噪比变化对比图 ； 0014 图4是用本发明方法与基于最大似然的MIMO雷达目标方向估计算法， 对目标方向 估计的 CPU 时间随阵。
13、元数变化对比图。 具体实施方式 0015 参照图 1， 本发明使用的波形分集 MIMO 雷达的阵列天线模型， 包括 Mt个阵元组成 的发射阵列和 Mr个阵元组成的接收阵列， 这两阵列均为均匀线阵， 阵元间隔为 d， 目标方向 为 。 0016 参照图 2， 本发明结合图 1 的阵列天线模型， 进行目标方向估计的步骤如下 ： 0017 步骤 1， 根据雷达发射波形 S 中任意一个阵元的发射波形 sk和雷达接收数据 X 获 得目标方向的粗估值 0018 1a) 利用雷达发射波形 S 中任意一个阵元的发射波形 sk对雷达接收数据 X 进行共 轭匹配， 得到匹配数据 ：其中 H 表示矩阵的共轭转置 ；。
14、 0019 1b) 根 据 匹 配 数 据 y0， 利 用 最 大 似 然 算 法 获 得 目 标 方 向 的 粗 估 值 ： 0020 其中为接收阵列在n方 向的导向矢量。 0021 步骤 2， 根据雷达发射波形 S 和目标方向的粗估值在方向搜索区间 内分别 计算最大似然算法在发射端和接收端的代价函数值 ft(n) 和 fr(n)。 0022 最大似然算法是常规相控阵雷达中一种经典的目标方向估计方法， 具体实现过程 如下 ： 0023 假设一个来自方向的目标入射到 M 阵元的线阵上， 阵列单次快拍的接收数据为 x， 阵列在 n方向的导向矢量为 w(n)， 则最大似然算法对目标方向估计的代价函。
15、数值为 ： 说 明 书 CN 104459680 A 5 3/4 页 6 0024 f(n) xHPw(n)x 0025 目标方向的估计值为 ： 0026 0027 其中， Pw(n) w(n)wH(n)w(n)-1wH(n)。 0028 计算最大似然算法中在接收端和发射端的目标方向估计代价函数值的步骤如 下 ： 0029 2a) 计算最大似然算法在发射端的代价函数值 ： 0030 2a1) 利用目标方向的粗估值对雷达接收数据 X 进行波束形成， 得到波束形成 数据 ： 0031 2a2)利用雷达发射波形S对波束形成数据yt1进行共轭匹配， 得到匹配数据 ： yt2 yt1S/L ； 0032。
16、 2a3) 利用匹配数据 yt2在方向搜索区间 内计算最大似然算法的代价函数值 ： 0033 其中，和分 别为发射阵列和接收阵列在 n和方向的导向矢量 ； 0034 2b) 计算最大似然算法在接收端的代价函数值 ： 0035 2b1) 根据雷达发射波形 S 和目标方向的粗估值设计一个空时滤波器 ： 0036 2b2) 利用空时滤波器 Wst对雷达接收数据 X 进行匹配滤波， 得到匹配数据 ： 0037 2b3) 利用匹配数据 yr在方向搜索区间 内计算最大似然算法的代价函数值 ： 其中为发射阵列在方向的导向矢量。 0038 步骤 3， 在方向搜索区间 内把发射端和接收端的最大似然算法代价函数值。
17、对应 相加， 得到一组合成函数值 ： f(n) ft(n)+fr(n)， 并通过合成函数值确定目标方向的 最终估计值 ： 0039 本发明的效果可通过以下理论分析和仿真实验进一步说明 ： 0040 一、 运算量分析 0041 本发明的运算量远小于基于最大似然的 MIMO 雷达目标方向估计算法的运算量。 由于本发明采用收发分置的方式估计目标的方向， 避免了 MIMO 雷达大有效孔径带来的高 运算复杂度问题。本发明方法的运算量约为 O(3LMr+2LMt+NMt+2NMr) 次复乘， 而基于最大似 然的 MIMO 雷达目标方向估计算法的运算量约为 O(LMtMr+NMtMr) 次复乘。 说 明 书。
18、 CN 104459680 A 6 4/4 页 7 0042 二、 仿真结果 0043 1. 仿真条件 0044 仿真中， 接收阵列的阵元数为 Mr 8， 发射阵列的阵元数为 Mt 8， 阵元间距 d /2， 雷达发射波形 S 为正交多相码， 且长度 L 100， 目标方向为 5。假设每个阵元 的接收噪声均为独立同分布的零均值圆对称复高斯白噪声。目标方向的估计精度定义为 为第 n 次实验得到的估计值， MC 为 Monte-Carlo 实验的总 次数， 仿真实例中， MC 500。 0045 2. 仿真内容 0046 仿真 1， 将本发明方法与基于最大似然的 MIMO 雷达目标方向估计算法得到。
19、的目标 方向估计精度进行比较， 结果如图 3。 0047 从图 3 中看出， 在低信噪比情况下， 本发明与基于最大似然的 MIMO 雷达目标方向 估计算法获得的目标方向精度的差别小于 0.025； 随着信噪比的增加， 本发明获得的目标 方向估计精度逐渐接近基于最大似然的 MIMO 雷达目标方向估计算法。 0048 仿真 2， 将本发明方法与基于最大似然的 MIMO 雷达目标方向估计算法得到的目标 方向估计的 CPU 时间进行比较， 结果如图 4。 0049 从图 4 中看出， 本发明的 CPU 时间远小于基于最大似然的 MIMO 雷达目标方向估计 算法 ； 随着阵元数的增加， 本发明的优势越明显。 说 明 书 CN 104459680 A 7 1/2 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 104459680 A 8 2/2 页 9 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 104459680 A 9 。