一种基于距离-频偏补偿的FDA-MIMO雷达多通道相参积累方法
- 国知局
- 2025-01-10 13:31:02
本发明涉及雷达运动目标检测,尤其涉及一种基于距离-频偏补偿的fda-mimo雷达多通道相参积累方法。
背景技术:
1、作为一种新体制雷达,frequency diverse array(fda)雷达各阵元之间存在频偏。将multiple input multiple output(mimo)体制与fda结合,可形成frequencydiverse array multiple-input-multiple-output(fda-mimo)雷达。
2、fda-mimo雷达利用频偏在动目标检测方面具有独特的优势。文献《张顺生,刘美慧,王文钦.基于多普勒扩展补偿的fda-mimo雷达运动目标检测.雷达学报,2022,11(4):666-675.》提出了一种基于多普勒扩展补偿的fda-mimo雷达运动目标检测方法,但该方案中将各个通道信号幅度的模值进行累加,没有考虑导向矢量对相参积累的影响。这种方法被认为是非相参的,会影响信号的输出信噪比。为实现多通道相参积累,一种简单的方法是直接搜索目标的方位角、俯仰角以及距离,但这种方法需要进行三维联合搜索,算法复杂度很大。除此之外,multiple signal classification(music)算法经常被用来进行波达方向(direction of arrival,doa)估计。但是当存在目标距离估计误差或由频偏引成的多普勒效应时,利用music算法进行多通道相参积累会导致积累增益急剧恶化。
3、综上,现有fda-mimo雷达多通道相参积累算法需要进行三维搜索,当方位角、俯仰角和距离搜索范围较大时,计算复杂度很大。而且,当存在距离误差和多普勒效应时,算法鲁棒性较差。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的问题,本发明提供了一种基于距离-频偏补偿的fda-mimo雷达多通道相参积累方法,以获取更高的相参积累增益,并降低计算复杂度。
2、本发明采用的技术方案为:
3、一种基于距离-频偏补偿的fda-mimo雷达多通道相参积累方法,该方法包括下列步骤:
4、步骤1、利用二维平面阵列fda-mimo雷达得到目标的回波信号;
5、步骤2、对目标的回波信号进行多通道匹配滤波,并在慢时间进行fft变换,得到脉冲积累后的回波数据;
6、步骤3、对脉冲积累后的回波数据进行协方差矩阵计算,得到噪声子空间和信号子空间;
7、步骤4、基于噪声子空间进行到达角搜索,再基于到达角估计和距离-频偏耦合相关向量进行特征分解得到距离-频偏耦合补偿向量;
8、步骤5、多通道波束成形,将多通道信号能量进行相参合成并利用恒虚警率进行目标检测。
9、进一步的,步骤1具体包括:
10、步骤11,根据阵元频偏δfm,n和参考载频f0计算发射阵列每个发射阵元的载频fm,n,其中,下标m,n为发射阵列的行、列索引,0≤m<m,0≤n<n,mn为发射阵列的阵元数;且发射阵元的行距和列距分别为dx和dy;
11、步骤12,将发射阵元的发射信号表示为:0<t≤ts,其中,t为时间,ts为波形持续时间;
12、步骤13,将发射阵元(m,n)发射,接收阵元(b,d)接收的回波信号表示为:
13、
14、其中,tk=ktpr为慢时间,ι=t-tk为快时间,tpr为脉冲持续时间,k为脉冲数,ξb×d,m×n为信号的复幅度,τb×d,m×n(k)为传播延迟,e为自然底数,j为虚数单位;
15、步骤14,多通道接收的回波信号经过混频后的回波信号为:
16、
17、其中,yb,d(ι,tk)表示对应于接收阵元(b,d)的回波信号符号,0≤b<m,0≤d<n,为kronecker积,ξ为复幅度矩阵,为发射-接收联合导向矢量,为接收导向矢量,为发射导向矢量,θ和分别表示俯仰角和方位角,即为目标的到达角,ω(r,v)为目标速度和距离的耦合矩阵,γ(ι)为回波信号包络。
18、进一步的,步骤2具体包括:
19、步骤21,对回波信号y(ι,tk)进行下变频以及多通道匹配滤波得到单通道接收信号yb×d,m×n(ι,tk);
20、步骤22,在慢时间对单通道接收信号yb×d,m×n(ι,tk)进行fft变换,得到fft变换后的xb×d,m×n表示对接收信号yb×d,m×n进行脉冲积累后的数据,即单通道的脉冲积累后的数据;
21、基于所有通道的xb×d,m×n得到脉冲积累后的信号数据x=[x0×0,0×0…x0×0,(m-1)×(n-1)…x(m-1)×(n-1),(m-1)×(n-1)]t,即x表示多通道脉冲积累后的数据;基于x和高斯分布的噪声得到经过脉冲积累后的包含噪声的回波信号其中,w表示距离单元数,表示复数域。
22、进一步的,步骤3具体包括:
23、步骤31,对回波数据z的每一个通道的回波信号zi的每个脉冲取最大值得到二维矩阵zmax;并计算协方差矩阵
24、协方差矩阵r可以表示为:r=γrsγh+σ2i,其中,rs为不带噪声的回波信号协方差矩阵,σ2表示噪声方差,i表示单位矩阵;对角矩阵时延τi,i=0,1...,mn-1的表达式为:
25、
26、步骤32,将协方差矩阵r特征分解为其中,对角矩阵λs由最大的特征值组成,对角矩阵λn由前(mn)2-1个最小特征值组成,es为最大的特征值对应的特征向量,被称为信号子空间,en为前(mn)2-1个最小特征值对应的特征向量,被称为噪声子空间。
27、进一步的,步骤4具体包括:
28、步骤41、基于噪声子空间en构建到达角估计和距离-频偏耦合向量获取的表达式:
29、
30、其中,为关于到达角的辅助量,其表达式为:
31、
32、时延辅助量不包含τi(i=kmn+1,k=0,1,2…mn-1),为新发射-接收联合导向矢量的第i个元素,其中,
33、根据俯仰角和方位角的峰值搜索表达式进行到达角估计,其中,det{·}表示矩阵的行列式;
34、步骤42,获取距离-频偏耦合补偿向量:
35、
36、其中,umin{·}表示经过特征分解后最小特征值对应的特征向量,[ξ]1为ξ的第一个元素。
37、进一步的,步骤5具体包括:
38、步骤51,对脉冲压缩后的信号进行波束成形,其表达式为:
39、
40、其中,yb×d,m×n表示对xb×d,m×n进行波束成形后的单通道信号,θreal、分别表示真实的俯仰角和方位角,计算时以步骤4中估计得到的到达角作为的取值,表示发射阵元间距带来的时延、表示接收阵元间距带来的时延,{·}*表示{·}的共轭;即
41、步骤52、基于恒虚警率对多通道相参积累后的信号进行目标检测。
42、本发明提供的技术方案至少带来如下有益效果:
43、相较于非相参积累,本发明方法的相参积累可以大大提高输出信噪比,在二维平面阵中,只需要搜索目标的方位角和俯仰角而不需要搜索目标距离,从而降低了相参积累的计算复杂度,尤其是方位角、俯仰角以及距离搜索范围较大时,本发明所提方法相较于直接搜索和music有明显的优势;并且,当目标距离估计存在误差或由频偏产生多普勒效应时,本发明所提方法相较于music算法能获得更高的相参积累增益。
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