[发明专利]一种合作MIMO雷达和通信系统计算目标定位和互信息的方法

摘要

本发明公开了一种合作MIMO雷达和通信系统计算目标定位和互信息的方法，于雷达通信一体化技术领域，它特别涉及关于雷达通信一体化中雷达参数估计性能平均克拉美罗界(ECRB)和通信互信息(MI)的计算。通过本发明计算方法得到的雷达定位ECRB和通信互信息MI，可以用来评估合作MIMO雷达和MIMO通信一体化系统的性能。由于本方法是基于合作的方式，因此雷达系统和通信系统可以相互利用，提升雷达和通信系统整体的性能，且本方法假设雷达系统只知道通信信号的统计特性，更加符合实际场景。

主权项

1.一种合作MIMO雷达和通信系统计算目标定位和互信息的方法，该方法包括：步骤1：在MIMO雷达系统接收端，将N_R个接收机收到的信号表示为矢量形式r_R其中，r_R,n＝(r_R,n[1],...,r_R,n[K])^T，U_Rt,n＝Diag{u_Rt,n(1),...,u_Rt,n(K)}，U_R,n＝Diag{u_R,n(1),...,u_R,n(K)}，U_Ct,n＝Diag{u_Ct,n(1),...,u_Ct,n(K)}，U_C,n＝Diag{u_C,n(1),...,u_C,n(K)}s_Rt,n＝[s_Rt,n(1)^T,...,s_Rt,n(K)^T]^T，s_R,n＝[s_R,n(1)^T,...,s_R,n(K)^T]^T,s_Ct,n＝[s_Ct,n(1)^T,...,s_Ct,n(K)^T]^T，s_C,n＝[s_C,n(1)^T,...,s_C,n(K)^T]^T，w_R,n＝[w_R,n(1),...,w_R,n(K)]^T，U_Rts_Rt表示经目标反射的雷达回波信号，U_Rs_R为雷达发射端直达雷达接收端的信号，U_Cts_Ct表示经目标反射的通信回波信号，U_Cs_C是通信发射端直达雷达接收端的信号，w_R为雷达接收端的杂波和噪声；M_R和N_R分别为雷达系统的发射机和接收机个数，M_C为通信系统发射机个数，每个收发站都是单天线配置，为第m个雷达发射机的发射信号功率，为第m'个通信发射机的发射信号功率，s_R,m(kT_s)和s_C,m'(kT_s)分别为第m个雷达发射机和第m'个通信发射机在kT_s时刻的发射信号，k是采样序号其中k＝1,…,K，K为样本点数，T_s为采样间隔，τ_Rt,nm和ζ_Rt,nm分别代表第m个雷达发射信号经目标反射后到达第n个雷达接收机的时延和目标反射系数，τ_R,nm为第m个雷达发射信号直达第n个雷达接收机的时延，τ_Ct,nm′和,ζ_Ct,nm′分别为第m'个通信发射信号经目标反射后到达第n个雷达接收机的时延和目标反射系数，τ_C,nm′为第m'个通信发射信号直达第n个雷达接收机的时延，w_R,n[k]表示第n个雷达接收机的杂波和噪声，且假设噪声向量w_R服从零均值协方差矩阵为Q_R的复高斯随机分布；步骤2：定义发射通信信号矢量为根据下式求得给定通信发射信号矢量s时θ的条件估计值θ_R,ML|s；其中，θ为待估目标位置x,y，表示为θ＝[x,y]^T；表示Q_R的求逆；步骤3：定义中间变量为获得矩阵其中，τ_Rt,nm表示第m个雷达发射机与第n个雷达接收机的时延，其中n＝1,...,N_R,m＝1,...,M_R；τ_Ct,nm'表示第m'个通信发射机与n个雷达接收机的时延，其中m'＝1,...,M_C；F和G分别表示雷达发射机与雷达接收机时延和通信发射机与雷达接收机时延对目标位置x,y的导数；步骤4：计算矩阵矩阵的第ij个元素为：其中，为取实部，表示求偏导，θ_i表示向量θ的第i个元素；步骤5：根据公式计算费歇尔信息矩阵J(θ)，为求梯度操作，可得条件克拉美罗界为CRB(θ|s)＝J(θ)^‑1，最终可得平均克拉美罗界为：其中，表示数学期望，平均克拉美罗界的对角元素分别为目标位置x,y的平均克拉美罗下界；步骤6：计算雷达系统的性能度量平均根克拉美罗下界：其中，ECRB(θ|s)_1,1和ECRB(θ|s)_2,2分别为ECRB的第一个对角元素和第二个对角元素；步骤7：在MIMO通信系统接收端，将N_C个通信接收机收到的信号表示为矢量形式r_C其中，r_C,n′＝(r_C,n′(1),...,r_C,n′(K))^T，w_C,n′＝[w_C,n′(1),...,w_C,n′(K)]^T，表示经目标反射的通信回波信号，为通信发射端直达通信接收端的信号，表示经目标反射的雷达回波信号，是雷达发射端直达通信接收端的信号，w_C为通信接收端的杂波噪声；N_C为通信系统接收机个数，每个接收站都是单天线配置，和ζ_Ct,n′m′分别代表第m'个通信发射信号经目标反射后到达第n'个通信接收机的时延和目标反射系数，为第m'个通信发射信号直达第n'个通信接收机的时延，和ζ_Rt,n′m分别为第m个雷达发射信号经目标反射后到达第n'个通信接收机的时延和目标反射系数，为第m个雷达发射信号直达第n'个通信接收机的时延，w_C,n'[k]表示第n'个通信接收机的杂波和噪声，且假设向量w_C服从零均值协方差矩阵为Q_C的复高斯随机分布；步骤8：根据下式求得通信端θ的条件估计值；步骤9：利用得到的θ估计值计算时延和其结果近似为n_Ct,n′m′,n_Rt,n′m为服从高斯分布的估计误差；利用得到通信端雷达的回波信号的估计值根据共享的雷达信号和位置信息可以得到步骤10：消除雷达信号对通信系统干扰后的通信接收机收到的信号为：其中，表示干扰消除后的残差，表示s_R,m(t)对t求导，s_R,m(t)表示雷达发射信号s_R,m(kT_s)的连续时间表达形式；步骤11：计算通信系统的互信息其中I为单位矩阵，表示求数学期望。