[发明专利]基于部分相关波形的MIMO雷达目标方向快速估计方法

权利要求书

1.一种基于部分相关波形的MIMO雷达目标方向的快速估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，确定MIMO雷达，所述MIMO雷达包括发射阵列和接收阵列，且发射阵列和接收阵列收发分置；发射阵列发射部分相关波形，并得到目标回波信号矩阵；

在步骤1中，所述部分相关波形是发射阵列发射的信号互相关函数值介于0和1之间时对应的波形，记为S，s_k表示第k个发射天线发射的部分相关波形，k＝1,2,…,Mt，Mt表示发射阵列包括的发射天线总个数，Mt为大于或等于1的正整数；部分相关波形S是一个Mt×L维的矩阵，L表示每个发射天线发射的部分相关波形长度；

所述目标回波信号矩阵，其得到过程为：

1a)初始化：令p表示发射阵列第p次发射部分相关波形，p＝1,2,…,P，P表示发射阵列发射部分相关波形的总次数；

1b)发射阵列第p次发射部分相关波形，发射阵列第p次发射的部分相关波形到达目标后，再经目标反射至接收阵列，接收阵列第p次接收目标回波信号Xtp；

1c)令p的值分别取1到P，重复执行1b)，分别得到接收阵列第1次接收目标回波信号Xt1至接收阵列第P次接收目标回波信号XtP，记为目标回波信号矩阵是Mr×PL维的矩阵；

步骤2，确定需要检测的目标空域范围，然后根据目标回波信号矩阵得到目标方向的粗估值和目标的多普勒频率；

步骤2的子步骤为：

2.1确定需要检测的目标空域范围β为-60°到60°，确定120/B个角度方向，其中第m个角度方向为θ_m，

m＝1,2,…,120/B，λ表示MIMO雷达的工作波长，M为Mt和Mr中的最大值，d表示Mt个发射天线的间隔和Mr个接收天线的间隔；且第m个角度方向θ_m的接收导向矢量为a_r(θ_m)，

a_r(θ_m)＝[1,exp(j2πdsinθ_m/λ),…,exp(j2π(Mr-1)dsinθ_m/λ)]^T，m的初始值为1；

2.2利用第m个角度方向θ_m的接收导向矢量a_r(θ_m)对MIMO雷达多普勒滤波数据X进行数字波束形成，得到第m个检测波束；

2.3令m分别取1至120/B，重复执行2.2，进而得到第1个检测波束至第120/B个检测波束；然后设定一个多普滤波器组，该多普勒滤波器组包括P个多普勒滤波器，每个多普勒滤波器的中心频率不同，每个多普勒滤波器的中心频率对应一个多普勒通道；P表示发射阵列发射部分相关波形的总次数，与多普滤波器组包括的多普勒滤波器总个数取值相等；将m的值初始化为1；

2.4利用第m个检测波束的空时滤波器导向矢量S对第m个检测波束进行发射波束形成后再进行多普勒滤波，将发射波束形成后得到的数据通过一个多普勒滤波器组，使用多普勒滤波器组对发射波束形成后得到的数据进行多普勒滤波后，得到第m个检测波束的多普勒滤波结果；

a_t(θ_m)＝[1,exp(j2πdsinθ_m/λ),…,exp(j2π(Mt-1)dsinθ_m/λ)]^T，S表示部分相关波形，d表示Mt个发射天线的间隔和Mr个接收天线的间隔；

2.5令m分别取1至120/B，重复执行2.4，进而得到第1个检测波束的多普勒滤波结果至第120/B个检测波束的多普勒滤波结果，然后在第1个检测波束的多普勒滤波结果至第120/B个检测波束的多普勒滤波结果中找到目标出现的检测波束，并将该检测波束指向记为目标方向的粗估值θ_in；然后从目标出现的检测波束的多普勒滤波结果中找到目标出现的多普勒通道，将目标出现的多普勒通道对应中心频率，记为目标的多普勒频率f_d；

步骤3，根据目标回波信号矩阵和目标的多普勒频率，得到MIMO雷达多普勒滤波数据；

步骤3的子步骤为：根据目标回波信号矩阵和目标的多普勒频率，得到MIMO雷达多普勒滤波数据

3a)令表示Mr×PL维的矩阵中第i行，Mr×PL维的矩阵中第i行为第i个接收天线接收发射阵列发射P次部分相关波形的目标回波信号，i＝1,2,…,Mr，Mr表示接收阵列包括的接收天线总个数，与Mr×PL维的矩阵中总行数取值相等；i的初始值为1；

3b)将Mr×PL维的矩阵中第i行转换为P×L维矩阵，记为第i个接收天线接收的目标回波数据z_i；对第i个接收天线接收的目标回波数据z_i进行多普勒滤波，进而得到第i个接收天线的多普勒滤波数据Z_i，Z_i＝W^Hz_i，

W＝[1,exp(j2πf_dT_r),…,exp(j2π(P-1)f_dT_r)]^T，f_d表示目标的多普勒频率，T_r表示脉冲重复周期，上标H表示矩阵共轭转置；

3c)令i的值分别取1至Mr，重复执行3b)，进而分别得到第1个接收天线接收的多普勒滤波数据Z₁至第Mr个接收天线接收的多普勒滤波数据Z_Mr，记为MIMO雷达多普勒滤波数据X，MIMO雷达多普勒滤波数据X是Mr×L维的矩阵；

步骤4，根据目标方向的粗估值确定目标方向搜索范围，然后在所述目标方向搜索范围内分别计算接收阵列最大似然算法的代价函数值和发射阵列最大似然函数算法的代价函数值；

在步骤4中，所述目标方向搜索范围为Θ，目标方向搜索范围Θ是θ_in-B/2到θ_in+B/2的范围，λ表示MIMO雷达的工作波长，M为Mt和Mr中的最大值，d表示Mt个发射天线的间隔和Mr个接收天线的间隔；

所述接收阵列最大似然算法的代价函数值，其得到过程为：

4a1)根据部分相关波形S和目标方向的粗估值θ_in设计一个空时滤波器权值矢量W_st，a_t(θ_in)表示发射阵列在θ_in方向的导向矢量,

a_t(θ_in)＝[1,exp(j2πdsinθ_in/λ),…,exp(j2π(Mt-1)dsinθ_in/λ)]^T，λ表示MIMO雷达

的工作波长雷达工作波长，L表示每个发射天线发射的部分相关波形长度，d表示Mt个发射天线的间隔和Mr个接收天线的间隔，上标T表示矩阵转置；

4a2)利用空时滤波器权值矢量W_st对MIMO雷达多普勒滤波数据X进行匹配滤波，得到MIMO雷达匹配滤波数据上标H表示矩阵共轭转置；

4a3)利用MIMO雷达匹配滤波数据y_r在所述目标方向搜索范围Θ内计算接收阵列最大似然算法的代价函数值a_r(θ_n)为接收阵列在θ_n方向的导向矢量，

a_r(θ_n)＝[1,exp(j2πdsinθ_n/λ),…,exp(j2π(Mr-1)dsinθ_n/λ)]^T，θ_n表示目标方向搜索范围Θ内的第n个均匀采样点，n＝1,2,…,N，N表示对目标方向搜索范围Θ进行N次均匀采样后得到的均匀采样点总个数，NMt，NMr；

所述发射阵列最大似然函数算法的代价函数值，其得到过程为：

4b1)利用目标方向的粗估值θ_in对MIMO雷达多普勒滤波数据X进行接收波束形成，得到接收波束形成数据y_t1，

a_r(θ_in)＝[1,exp(j2πdsinθ_in/λ),…,exp(j2π(Mr-1)dsinθ_in/λ)]^T，上标H表示矩阵共轭转置；

4b2)利用接收波束形成数据y_t1在所述目标方向搜索范围Θ内计算发射阵列最大似然函数算法的代价函数值g_t(θ_n)，

P_{a_s}(θ_n)＝a_s(θ_n)[a_s^H(θ_n)a_s(θ_n)]^-1a_s^H(θ_n)，

其中，上标-1表示矩阵求逆，上标T表示矩阵转置，上标T表示矩阵求逆；

步骤5，根据接收阵列最大似然算法的代价函数值和发射阵列最大似然函数算法的代价函数值，确定目标方向的最终估计值，所述目标方向的最终估计值为基于部分相关波形的MIMO雷达目标方向的快速估计结果。

2.如权利要求1所述的一种基于部分相关波形的MIMO雷达目标方向的快速估计方法，其特征在于，在步骤5中，所述目标方向的最终估计值为其确定过程为：

其中，g(θ_n)＝g_t(θ_n)+g_r(θ_n)，表示当g(θ_n)取最大值时对应的θ_n方向，n＝1,2,…,N，θ_n为目标方向搜索范围Θ内的第n个均匀采样点，N表示对目标方向搜索范围Θ进行N次均匀采样后得到的均匀采样点总个数，NMt，NMr。