專利名稱：一種多輸入多輸出雷達(dá)系統(tǒng)陣列誤差自校正的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及多輸入多輸出雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用，具 體地說是一種多輸入多輸出雷達(dá)系統(tǒng)陣列誤差自校正的方法。該方法可用于 多通道雷達(dá)系統(tǒng)的陣列誤差校正領(lǐng)域。
技術(shù)背景近幾年，多輸入多輸出雷達(dá)，即MIMO雷達(dá)的研究已經(jīng)引起了學(xué)術(shù)界的 廣泛興趣。與傳統(tǒng)的相控陣?yán)走_(dá)相比，MIMO雷達(dá)具有很多優(yōu)點(diǎn)。比如具有 更大的虛擬孔徑、更窄的波束和更低的旁瓣，更快的搜索速率等。同時(shí)很多 現(xiàn)有的自適應(yīng)技術(shù)可以應(yīng)用到MIMO雷達(dá)系統(tǒng)中來。但是對(duì)于很多高分辨技 術(shù)，如多重信號(hào)分類算法、旋轉(zhuǎn)不變子空間算法等，當(dāng)陣列存在誤差時(shí)，高 分辨技術(shù)的性能就會(huì)顯著下降。在應(yīng)用這些高分辨技術(shù)之前，雷達(dá)陣列的誤 差必須得到校正。針對(duì)傳統(tǒng)的相控陣列誤差，人們提出了大量的誤差校正方 法。但是這些陣列校正方法大都基于陣列誤差與方位無關(guān)陣列誤差模型，而 實(shí)際中陣列誤差是與方位有關(guān)的。對(duì)于方位依賴的幅度相位誤差的校正，一 直以來都是陣列誤差校正技術(shù)中的一個(gè)難點(diǎn)。王布宏等人在2004年發(fā)表的《方 位依賴陣元幅相誤差校正的輔助陣元法》中提到，利用精確校正的輔助陣元 來校正方位依賴的幅度相位誤差，但是這個(gè)方法需要多個(gè)信號(hào)源，并且需要 一維搜索，計(jì)算量大。針對(duì)MIMO雷達(dá)的陣列誤差，美籍華人L. Xu等，在 2008年發(fā)表的《Target Detection and Parameter Estimation for MIMO Radar System》中提到，當(dāng)陣列存在誤差時(shí)，用穩(wěn)健的自適應(yīng)算法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。 遺憾的是，這個(gè)方法無法校正陣列方位依賴的幅度和相位誤差。到目前為止， 國內(nèi)外還沒有針對(duì)MIM0雷達(dá)陣列的方位依賴誤差自校正研究成果的報(bào)道。為 了把高分辨技術(shù)應(yīng)用于MIMO雷達(dá)系統(tǒng)中，MIMO雷達(dá)陣列誤差校正是必不 可少的一步。因此，研究MIMO雷達(dá)系統(tǒng)陣列誤差校正，具有重要的實(shí)用價(jià) 值。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于為了解決MIMO雷達(dá)系統(tǒng)陣列存在方位依賴的幅度 和相位誤差的問題，提供了一種多輸入多輸出雷達(dá)系統(tǒng)陣列誤差自校正的方 法，可以對(duì)陣列方位依賴的幅度和相位誤差進(jìn)行有效的自校正。 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案本發(fā)明的具體實(shí)施步驟如下-1. 一種多輸入多輸出雷達(dá)系統(tǒng)陣列誤差自校正的方法，其具體實(shí)現(xiàn)步驟 如下(1)首先利用MIMO雷達(dá)系統(tǒng)兩個(gè)已經(jīng)校正的發(fā)射陣元同時(shí)發(fā)射相互 正交的編碼信號(hào)，再用接收陣列接收目標(biāo)回波信號(hào)，接收到的回波信號(hào)為e何"+Z， / = 1，…，丄式中s"S2eC^表示發(fā)射的正交編碼信號(hào)，《表示編碼信號(hào)的碼元長度，假設(shè)、《=〖，w = l,2， r(《)表示接收陣列方位依賴的陣元幅相擾動(dòng)矩陣，a,O， a,(.)分別為無擾動(dòng)的接收陣列和發(fā)射陣列的導(dǎo)向矢量，上標(biāo)r表示轉(zhuǎn) 置操作，^為目標(biāo)反射系數(shù)，^表示慢時(shí)間，/表示脈沖的序號(hào)，丄表示總的 脈沖個(gè)數(shù)，P表示目標(biāo)個(gè)數(shù)，《表示第/個(gè)目標(biāo)的角度，/ = 1，...,尸，厶表示第 /個(gè)目標(biāo)回波的多普勒頻率，Z表示噪聲矩陣，假設(shè)Z的各列相互獨(dú)立，且各 列的協(xié)方差矩陣為《1，《表示噪聲功率，I表示單位矩陣；(2)、利用發(fā)射信號(hào)的正交性，用匹配濾波的方法分離各發(fā)射陣元的回 波信號(hào)，即分別用^s,和j、對(duì)接收信號(hào)作匹配濾波，分離后的信號(hào)表示為:y2 = a,D2€> + n2式中a, = [r(《x(《)，...,r(^K(^)]表示存在方位依賴的幅度和相位誤差的接收陣列導(dǎo)向矩陣，Dw =^7g[ (《)，…，"加(^)]表示發(fā)射陣元的旋轉(zhuǎn)因子， 其中附=1，2， ^^(x)表示以向量x的元素為對(duì)角線上元素的對(duì)角矩陣，a,m(.)表示a,(O的第w個(gè)元素，0 = [^V^ew"，…，^V^^^'了表示脈壓后的 目標(biāo)回波信號(hào)波形，NW=*Z《，表示經(jīng)過匹配濾波分離后的噪聲；(3) 、利用已經(jīng)分離開的接收信號(hào)，構(gòu)造回波信號(hào)的自相關(guān)矩陣和互相關(guān)矩陣，它們分別為 式中R。表示①的自相關(guān)矩陣；(4) 、用旋轉(zhuǎn)不變子空間技術(shù)估計(jì)目標(biāo)的角度和陣列真實(shí)導(dǎo)向矢量，即 先用Rn的小特征值估計(jì)噪聲功率，再用R,,-《I的尸個(gè)大特征值及其對(duì)應(yīng)的 特征向量構(gòu)造Rn-ofl的偽逆矩陣R^，然后構(gòu)造矩陣R2,R^，對(duì)它作特征 分解，其中戶個(gè)大特征值就是D2D廣的對(duì)角線元素，所以可以用戶個(gè)大特征值估計(jì)目標(biāo)的角度，估計(jì)得到的目標(biāo)角度為《=arcsin[^~""g/e(>g] ， / = l，...，尸，其中A表示載波波長，d表示兩個(gè)發(fā)射陣元的間距，；i,表示D2D^的對(duì)角線的 第/個(gè)元素，"Mg/e(0表示取相位操作，由戶個(gè)大特征值所對(duì)應(yīng)的特征向量可以 估計(jì)陣列真實(shí)導(dǎo)向矢量，假設(shè)第/個(gè)特征值對(duì)應(yīng)的特征矢量是 v, = ^r(《)a,(《)，則陣列真實(shí)導(dǎo)向矢量為、=v, ;(5) 、根據(jù)估計(jì)得到的目標(biāo)角度和陣列真實(shí)導(dǎo)向矢量，估計(jì)此角度所對(duì)應(yīng)的陣列的幅度和相位誤差，第/個(gè)目標(biāo)估計(jì)角度《所對(duì)應(yīng)的陣列幅度增益誤 差為Api(《)叫^卜l，陣列相位誤差為cp,;a"g/e(、Oa:(卩))，^=v,~,， v,表 示第/個(gè)大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量，z,表示v,的第一個(gè)元素，上標(biāo).表示共軛 操作，^7g/e表示取相位操作，O表示向量或矩陣的點(diǎn)乘。 本發(fā)明與傳統(tǒng)陣列誤差校正技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)1、 本發(fā)明在估計(jì)目標(biāo)角度時(shí)利用了發(fā)射陣元的旋轉(zhuǎn)因子估計(jì)目標(biāo)角度， 具有較高的目標(biāo)角度估計(jì)精度；2、 本發(fā)明通過特征分解可以同時(shí)估計(jì)得到各目標(biāo)的角度及其所對(duì)應(yīng)的真 實(shí)導(dǎo)向矢量，能夠?qū)Ψ轿灰蕾嚨姆认辔徽`差進(jìn)行有效的校正；3、本發(fā)明的目標(biāo)角度和真實(shí)導(dǎo)向矢量通過特征分解獲得，不需要搜索, 計(jì)算量小。圖l是本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)流程圖 圖2是本發(fā)明的多輸入多輸出雷達(dá)陣列示意圖 圖3是本發(fā)明的目標(biāo)1的角度估計(jì)結(jié)果圖 圖4是本發(fā)明的目標(biāo)2的角度估計(jì)結(jié)果5是本發(fā)明的2號(hào)陣元在目標(biāo)1方向上的幅度誤差估計(jì)的均方差圖 圖6是本發(fā)明的2號(hào)陣元在目標(biāo)1方向上的相位誤差估計(jì)的均方差圖
具體實(shí)施例方式參照
圖1，它是本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)流程圖，從圖中可以看出本發(fā)明的具體實(shí) 施步驟如下(1)首先利用MIMO雷達(dá)系統(tǒng)兩個(gè)已經(jīng)校正的發(fā)射陣元同時(shí)發(fā)射相互正交的編碼信號(hào)，再用接收陣列接收目標(biāo)回波信號(hào)，接收到的回波信號(hào)為+Z， / = 1,…，丄式中s,，S2eC^表示發(fā)射的正交編碼信號(hào)，K表示編碼信號(hào)的碼元長度，假 設(shè)、,《=《，m = l,2， r(《)表示接收陣列方位依賴的陣元幅相擾動(dòng)矩陣， a義)，a,(，)分別為無擾動(dòng)的接收陣列和發(fā)射陣列的導(dǎo)向矢量，上標(biāo)r表示轉(zhuǎn) 置操作，^為目標(biāo)反射系數(shù)，々表示慢時(shí)間，/表示脈沖的序號(hào)，丄表示總的 脈沖個(gè)數(shù)，尸表示目標(biāo)個(gè)數(shù)，《表示第/個(gè)目標(biāo)的角度，/ = 1，...,尸，厶.表示第 /個(gè)目標(biāo)回波的多普勒頻率，Z表示噪聲矩陣，假設(shè)Z的各列相互獨(dú)立，且各 列的協(xié)方差矩陣為cr"21，《表示噪聲功率，I表示單位矩陣；(2)、利用發(fā)射信號(hào)的正交性，用匹配濾波的方法分離各發(fā)射陣元的回 波信號(hào)，即分別用;s,和;、對(duì)接收信號(hào)作匹配濾波，分離后的信號(hào)表示為<formula>formula see original document page 7</formula>式中A, =[r(《)a,(《)，...，r(^)a"^)]表示存在方位依賴的幅度和相位誤差的接收陣列導(dǎo)向矩陣，Dm =A^[",m(《)，…,^(^)]表示發(fā)射陣元的旋轉(zhuǎn)因子， 其中附=1,2， J/"g(x)表示以向量x的元素為對(duì)角線上元素的對(duì)角矩陣，",, ( ) 表示a,O的第w個(gè)元素，0 = [AV^,^''， ...， &7^一2《''了表示脈壓后的目標(biāo)回波信號(hào)波形，NW=*Z《，表示經(jīng)過匹配濾波分離后的噪聲；(3) 、利用已經(jīng)分離開的接收信號(hào)，構(gòu)造回波信號(hào)的自相關(guān)矩陣和互相 關(guān)矩陣，它們分別為R,, = A,D,R。D「A， +cr 2I式中R。表示0)的自相關(guān)矩陣；(4) 、用旋轉(zhuǎn)不變子空間技術(shù)估計(jì)目標(biāo)的角度和陣列真實(shí)導(dǎo)向矢量，即 先用Rn的小特征值估計(jì)噪聲功率，再用Ru-《I的戶個(gè)大特征值及其對(duì)應(yīng)的 特征向量構(gòu)造Rn-cT〗I的偽逆矩陣R^，然后構(gòu)造矩陣R2,R^，對(duì)它作特征 分解，其中尸個(gè)大特征值就是D2D廣的對(duì)角線元素，所以可以用尸個(gè)大特征值估計(jì)目標(biāo)的角度，估計(jì)得到的目標(biāo)角度為《=arcsin[A""g/e(;i,)] ， / = l,...，P ，其中義表示載波波長，"表示兩個(gè)發(fā)射陣元的間距，/1,表示D2D「1的對(duì)角線的第/個(gè)元素，a"g/e(.)表示取相位操作，由尸個(gè)大特征值所對(duì)應(yīng)的特征向量可以估計(jì)陣列真實(shí)導(dǎo)向矢量，假設(shè)第/個(gè)特征值對(duì)應(yīng)的特征矢量是 v, = ^r(《)a,((9,.)，則陣列真實(shí)導(dǎo)向矢量為、=v,",;(5) 、根據(jù)估計(jì)得到的目標(biāo)角度和陣列真實(shí)導(dǎo)向矢量，估計(jì)此角度所對(duì)應(yīng)的陣列的幅度和相位誤差。《所對(duì)應(yīng)的陣列幅度增益誤差為Ap,(《),-1對(duì)于角度《，理想導(dǎo)向矢量為a"《)，則陣列相位誤差為其中，o表示矩陣或向量點(diǎn)乘，(y表示復(fù)共軛。本發(fā)明的效果可以通過以下仿真結(jié)果進(jìn)一步說明。仿真條件描述^ = 6陣元半波長間距等距線陣，參照?qǐng)D2，它是本發(fā)明 的多輸入多輸出雷達(dá)陣列示意圖。其中0號(hào)和1號(hào)作為發(fā)射陣列，并且收發(fā)共用，兩個(gè)遠(yuǎn)場目標(biāo)的角度分別為-20度和30度。仿真中的脈沖數(shù)取為512。假設(shè) 幅度增益誤差服從[-0.2,0.2]的均勻分布，相位誤差服從[-;r,;r]的均勻分布。參照?qǐng)D3和圖4，它們分別是本發(fā)明的目標(biāo)1和目標(biāo)2的角度估計(jì)結(jié)果圖， 圖中是信噪比從0dB到30dB，以5dB為間隔變化時(shí)，上述兩個(gè)目標(biāo)角度的估 計(jì)結(jié)果。從圖中可以看出，當(dāng)信噪比大于15dB時(shí)，角度估計(jì)誤差小于0.005 度，本方法具有較高的目標(biāo)角度估計(jì)精度。參照?qǐng)D5和圖6，它們分別是本發(fā)明的2號(hào)陣元在目標(biāo)1方向上的幅度和 相位誤差估計(jì)的均方差圖，圖中是信噪比從0dB到30dB，以5dB為間隔變化 時(shí)，目標(biāo)1所對(duì)應(yīng)的角度方向上2號(hào)陣元的幅度和相位誤差估計(jì)的均方差。 從圖中可以看出，當(dāng)信噪比大于15dB時(shí)，幅度增益估計(jì)的均方差小于O.Ol， 當(dāng)信噪比大于20dB時(shí)，相位誤差估計(jì)的均方差小于0.01弧度，所以本方法 可以有效的估計(jì)出陣列的幅度和相位誤差。由仿真結(jié)果可以看出，本方法可以有效的校正MIMO陣列方位依賴的幅 相誤差。
權(quán)利要求
1.一種多輸入多輸出雷達(dá)系統(tǒng)陣列誤差自校正的方法，其具體實(shí)現(xiàn)步驟如下(1)首先利用MIMO雷達(dá)系統(tǒng)兩個(gè)已經(jīng)校正的發(fā)射陣元同時(shí)發(fā)射相互正交的編碼信號(hào)，再用接收陣列接收目標(biāo)回波信號(hào)，接收到的回波信號(hào)為
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多輸入多輸出雷達(dá)系統(tǒng)陣列誤差自校正的方法，它涉及雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，其目的是采用該方法以達(dá)到在多輸入多輸出雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射陣列已經(jīng)校正的前提下，對(duì)接收陣列方位依賴的幅度和相位誤差進(jìn)行自校正。該方法的實(shí)現(xiàn)過程為首先利用多輸入多輸出雷達(dá)系統(tǒng)的2個(gè)已經(jīng)校正的發(fā)射陣元，發(fā)射相互正交的信號(hào)；然后利用發(fā)射信號(hào)的正交性用匹配濾波的方法分離各發(fā)射陣元的回波信號(hào)；利用回波信號(hào)構(gòu)造自相關(guān)矩陣和互相關(guān)矩陣；利用旋轉(zhuǎn)不變子空間方法估計(jì)陣列的真實(shí)導(dǎo)向矢量和目標(biāo)角度；最后利用估計(jì)得到的陣列的真實(shí)導(dǎo)向矢量和目標(biāo)角度，實(shí)現(xiàn)校正陣列方位依賴的幅度相位誤差的目的。本發(fā)明可用于多通道雷達(dá)系統(tǒng)的陣列誤差校正領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01S13/02GK101251597SQ20081001789
公開日2008年8月27日 申請(qǐng)日期2008年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月8日
發(fā)明者廖桂生, 青 徐, 操 曾, 軍 李, 明 金, 陶海紅 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)