一種基于漸進(jìn)閾值的雷達(dá)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于漸進(jìn)閾值的雷達(dá)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，屬于雷達(dá)通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到優(yōu)化MIMO雷達(dá)系統(tǒng)估計(jì)性能的參數(shù)設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明提出了一種基于Ziv?Zakai界(ZZB)的信雜噪比(SCNR)閾值作為優(yōu)化系統(tǒng)的指標(biāo)，SCNR閾值越小的系統(tǒng)，將越早進(jìn)入漸進(jìn)區(qū)，對(duì)應(yīng)的估計(jì)性能相對(duì)更為優(yōu)良。通過對(duì)備選系統(tǒng)的SCNR閾值進(jìn)行排序，能選出較為優(yōu)化的系統(tǒng)參數(shù)。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中很多線性估計(jì)器，如MIMO雷達(dá)系統(tǒng)，其漸進(jìn)閾值計(jì)算量仍然很大，本發(fā)明給出了一種更簡單的指標(biāo)。該簡化指標(biāo)和漸進(jìn)閾值保持了單調(diào)性，通過對(duì)其排序，也能出備選系統(tǒng)的相對(duì)估計(jì)性能。
【專利說明】
-種基于漸進(jìn)闕值的雷達(dá)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于雷達(dá)通信技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及到優(yōu)化MIMO雷達(dá)系統(tǒng)估計(jì)性能的參數(shù)選 取方法。
【背景技術(shù)】
[0002] -個(gè)估計(jì)器系統(tǒng)性能的優(yōu)良，往往是通過均方誤差(MSE)性能來衡量的。在很多非 線性估計(jì)器的實(shí)際應(yīng)用中，尤其是MIMO雷達(dá)系統(tǒng)，當(dāng)信雜噪比（SCNR)高于漸進(jìn)區(qū)的闊值點(diǎn) 時(shí)，系統(tǒng)的估計(jì)性能會(huì)更優(yōu)。故而當(dāng)進(jìn)行估計(jì)器性能優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要選取出能使系統(tǒng)快速 進(jìn)入漸進(jìn)區(qū)域（由大于SCNR闊值的SCN財(cái)勾成的區(qū)域，非漸進(jìn)區(qū)域是其補(bǔ)集)的備選參數(shù)值。
[0003] 在系統(tǒng)估計(jì)性能優(yōu)化時(shí)，估計(jì)誤差下界是一個(gè)很有用的分析工具?？死懒_界 (CRB)作為一個(gè)最為廣泛應(yīng)用的下界，能很好的描述系統(tǒng)在漸進(jìn)區(qū)域的MSE性能。然而對(duì)于 很多的非線性估計(jì)問題，CRB不能刻畫系統(tǒng)在非漸進(jìn)區(qū)域的性能，因?yàn)樗贿m用于較小誤差 的局部下界。
[0004] 為了分析系統(tǒng)在非漸進(jìn)區(qū)域的性能，必須使用其他的更為緊湊的下界，例如Ziv- Zakai界(ZZB) ,ZZB是一個(gè)貝葉斯下界，即假定知道一些隨機(jī)參數(shù)的先驗(yàn)分布，它建立于將 估計(jì)問題轉(zhuǎn)換為一個(gè)二元假設(shè)檢驗(yàn)問題。ZZB構(gòu)建于服從均勻分布的單個(gè)隨機(jī)變量，也能進(jìn) 一步推廣為構(gòu)建在有著任意分布的隨機(jī)向量之上。
[0005] -般地，在漸進(jìn)區(qū)域ZZB幾乎和CRB相等，而在非漸進(jìn)區(qū)域，ZZB能更加緊湊地描述 MSE性能，故而它能指示出系統(tǒng)何時(shí)進(jìn)入漸進(jìn)區(qū)域。計(jì)算ZZB通常來說是一件很費(fèi)時(shí)的事情， 甚至有可能超出某些計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。所W在優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，找到一個(gè)能快速準(zhǔn)確地 比較系統(tǒng)性能的指標(biāo)是很必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明針對(duì)MIMO雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提出了一種基于ZZB的SCNR闊值指標(biāo)，W及一種 能和SCNR闊值保持單調(diào)一致的簡化指標(biāo)。SCNR闊值是指在運(yùn)點(diǎn)上系統(tǒng)的CRB和ZZB開始不能 區(qū)分出來(即二者開始接近重合），它和CRB-起能很好的描述系統(tǒng)整體的性能。
[0007] 在系統(tǒng)預(yù)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景，往往先給出合理的參數(shù)選取值，作為備選系 統(tǒng)。對(duì)于有著幾乎相等的CRB的備選系統(tǒng)，為了比較它們?cè)诜菨u進(jìn)區(qū)域的性能，不用計(jì)算出 整個(gè)SCNR區(qū)域的ZZB，直接比較SCNR闊值，就可W得出備選系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。一般來說，SCNR 闊值越小，系統(tǒng)越早進(jìn)入漸進(jìn)區(qū)，其性能更加優(yōu)良。
[000引為了進(jìn)一步簡化運(yùn)算量，快速對(duì)備選系統(tǒng)進(jìn)行比較，本發(fā)明給出了一個(gè)計(jì)算量更 小的簡化指標(biāo)。利用其與SCNR闊值保持單調(diào)性的特征，來比較備選系統(tǒng)的相對(duì)性能，從而選 取出性能較為優(yōu)良的備選系統(tǒng)。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)方案為:針對(duì)MIMO雷達(dá)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過比較SCNR闊值a或簡化 指標(biāo)e，在備選系統(tǒng)中快速準(zhǔn)確的選定性能較優(yōu)良的雷達(dá)系統(tǒng)。
[0010] -種基于漸進(jìn)闊值的雷達(dá)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，實(shí)施步驟如下：
[00川步驟I參數(shù)采集
[0012]設(shè)計(jì)一個(gè)在二維平面內(nèi)的MIMO雷達(dá)，需要選取的相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)如下：
[001引 。.M個(gè)發(fā)射天線N個(gè)接收天線。
[0014] 2).第m(m=l，. . .，M)個(gè)發(fā)射天線與第n(n=l，. . .，N)個(gè)接收天線所在位置分別是 (.<，乂佛咕片）。
[0015] 3).第m個(gè)發(fā)射天線發(fā)射一個(gè)持續(xù)時(shí)間為T的窄帶脈沖信號(hào)
，其中e是發(fā) 射信號(hào)的總能量，Sm(t)是發(fā)射信號(hào)的基帶部分，載波頻率f。。
[0016] 4).收集每條路徑的噪聲功率
，.第n個(gè)接收天線接收到的雷達(dá)回波信號(hào)復(fù)包 絡(luò)如下：
[0017]
(1)
[0018] 其中amn和Wmn(t)分別代表第mn個(gè)路徑的目標(biāo)反射系數(shù)和加性干擾噪聲。Tmn(P)和 f mn (P，V)分別代表對(duì)應(yīng)的第mn個(gè)的收發(fā)對(duì)W及位于P = (.Y，點(diǎn)、速度向量為V = (V、，v,y的 目標(biāo)之間的時(shí)延和多普勒頻移。
[0019] 5).最遠(yuǎn)的探測距離D。
[0020] 在系統(tǒng)預(yù)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)和實(shí)際需要，上述每個(gè)參數(shù)往往有多個(gè)合理取值， 能給出多個(gè)系統(tǒng)方案，將運(yùn)些系統(tǒng)方案作為備選系統(tǒng)。
[0021] 步驟2簡化指標(biāo)的十算
[0022] 運(yùn)個(gè)更低計(jì)算復(fù)雜度的簡化指標(biāo)0定義為
[0023]
[0024] 目標(biāo)信息9>和誤差S的概率分布均為pe(.);待估參數(shù)0的取值為二元假設(shè)問題： Ho:
故而最小錯(cuò)誤概率 Pmm (私9 +而為
[0031] 每個(gè)路徑SCNR定義為
[0025] (3)
[0026]
[0027] (4)
[002引 （5)
[0029]
[0030]
[00 創(chuàng)
（7)
[0033] 所有路徑的性雜噪比均設(shè)為n。
[0034] 搖細(xì)巧撕責(zé)
[0035] I
[0036]
[0037] (9)
[00；3 引
[0039] (雌
[0040] 其中C是光速，A是電磁波長。
[0041 ]將每個(gè)備選系統(tǒng)參數(shù)帶入公式(2)，得到所有的簡化指標(biāo)0值。對(duì)運(yùn)些簡化指標(biāo)0值 進(jìn)行排序，得出備選系統(tǒng)的相對(duì)性能。e值越小的備選系統(tǒng)越早進(jìn)入漸進(jìn)區(qū)，系統(tǒng)的估計(jì)性 能更為優(yōu)良。
【附圖說明】
[0042] 圖1是本發(fā)明中一個(gè)SCNR闊值和漸進(jìn)區(qū)域的示意圖。
[0043] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例5個(gè)MIMO雷達(dá)系統(tǒng)的SCNR闊值和簡化指標(biāo)值的變化圖。橫軸是 接收天線的數(shù)目，縱軸是闊值。
【具體實(shí)施方式】
[0044] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做出進(jìn)一步說明。WMIMO雷達(dá)目標(biāo)參數(shù)估計(jì) 為例，一種基于漸進(jìn)闊值的雷達(dá)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，實(shí)施方式如下。
[0045] 步驟1:如技術(shù)方案步驟1中所示，首先設(shè)定相關(guān)采集參數(shù)的數(shù)值，給出備選系統(tǒng)。
[0046] 在此W控制接收天線的數(shù)目為例，考慮5個(gè)MIMO雷達(dá)系統(tǒng)為備選系統(tǒng)，他們的發(fā)射 天線數(shù)目一定，接收天線數(shù)目不一樣，分別為：
[0047] (1)M = 2,N=2,(2)M = 2,N=3,(3)M = 2,N=4, (4)1 = 2,N=5, (5)1 = 2,N=6〇
[0048] 對(duì)于每一個(gè)系統(tǒng)，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)都均勻的被放置在[0，V2]方向。原點(diǎn)到天線的 距離均為50千米。
[0049] 假設(shè)發(fā)射的信號(hào)Sm(t)是高斯信號(hào)，m=l，. . .，M，
[0050] Sm(t) = (2/T2)i/4exp(-ji(t-T)2/T2)ej2"?^ft (11)
[0051 ]其中Af= 1/T，它具有單位能量，并且對(duì)于所有的m，它們均近似正交，并且對(duì)任何 時(shí)延tW及多普勒頻移f都保持正交性。假設(shè)目標(biāo)反射系數(shù)ail, ...，aMN是相互獨(dú)立的，服從 零均值高斯分布，方差已知，可W由性噪比來設(shè)定。設(shè)加性干擾噪聲項(xiàng)Wmn(t)是廣義平穩(wěn)的， 服從復(fù)高斯分布，且均值為零，方差已知。當(dāng)m聲！i/ ,n聲和t聲1/時(shí)，Wmn(t)和WmV (1/ )是相 互獨(dú)立的。為了簡化設(shè)所有路徑的噪聲功率一定，均為Ow2。
[0化2] 假設(shè)目標(biāo)的坐標(biāo)的每一維均勻分布在[0，D]中，即.V巧和y~W〇，D]。重點(diǎn) 考察目標(biāo)的位置估計(jì)，此時(shí)目標(biāo)的速度可W被固定在(vx，vy) = (120,50)m/s。備選系統(tǒng)其他 參數(shù)的設(shè)置均一樣，取值列在表1中。
[0化3] 表1:參數(shù)設(shè)置 「nnf；yn
[0055] 步驟2簡化指標(biāo)的十算，比較備選系統(tǒng)的性能
[0056] 將每一套備選雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)帶入公式(2)，可W得出每套系統(tǒng)的簡化指標(biāo)值。結(jié)果 展示在表帥，本實(shí)施例中備選系統(tǒng)(5)的0值最小，估計(jì)性能最優(yōu)良。
[0化7] 表2:簡化闊值0 [0化引
[0059] 事實(shí)上，簡化指標(biāo)0是隨SCNR闊值a單調(diào)變化的。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，簡化指標(biāo)削i小， SCNR闊值a也越小，系統(tǒng)越早進(jìn)入漸進(jìn)區(qū)，其估計(jì)性能越優(yōu)良。下面，對(duì)該結(jié)論作出說明。
[0060] 對(duì)于一個(gè)擁有漸進(jìn)闊值的系統(tǒng)，所有路徑的SCNR均記為n，則SCNR闊值a取決于ZZB 的曲率，有：
[0061]
(12)
[0062] 其中Z是誤差估計(jì)下界ZZB，滿足
[0063]
斜巧
[0064] 其中U是任意列向量，定義
[0065] 公式（12)中的求解最大值運(yùn)算可W用常見的全局優(yōu)化算法來解決，如遺傳算法。 如圖1所示，可W看出運(yùn)樣定義的SCNR闊值a標(biāo)記出了漸進(jìn)區(qū)域的起點(diǎn)。對(duì)于一些簡單的估 計(jì)器，很容易算出SCNR闊值a,可W直接用來比較系統(tǒng)的性能。然而實(shí)際應(yīng)用中，尤其是MIMO 雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要消耗大量的計(jì)算資源才能得出〇。通過帶入公式（12)計(jì)算，5個(gè)備選系統(tǒng) 的SCNR闊值a如表3所不。
[0066] 表3: SCNR 闊值a
[0067]
LUUW」 圏2刃背算出巧的a和隨者聯(lián)收大線數(shù)目的雙化圏。從圏甲nj ^^看出隨者大線數(shù) 目的增多，系統(tǒng)的估計(jì)誤差越來越小?？蒞從圖帥看出，a和0呈現(xiàn)了單調(diào)性。
[0069]公式（13)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)積分表達(dá)式，并且被積函數(shù)是由被先驗(yàn)信息加權(quán)的最小錯(cuò) 誤概率記^(供夢+巧構(gòu)成。運(yùn)些先驗(yàn)信息是描述怎么去刻畫最小錯(cuò)誤概率界，為中的 兩個(gè)參數(shù)的影響。最小錯(cuò)誤概率巧胃嶺，^> +巧能夠包含所有需要計(jì)算SCNR闊值a的信息，通 常巧IU?？?，巧+巧是很容易就能計(jì)算出來的。因?yàn)楣剑?3)中有最大值運(yùn)算算符，那些確切的 加權(quán)值是很難得到的。但在多數(shù)情況下，均勻的加權(quán)能提供一個(gè)更少計(jì)算復(fù)雜度、有用的指 標(biāo)，如公式(2)所示。
[0070]最后從圖2展示的排序結(jié)果來看，方案(5)系統(tǒng)的簡化指標(biāo)值最小，ZZB最先進(jìn)入漸 進(jìn)區(qū)域，故而性能更為優(yōu)良。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于漸進(jìn)閾值的雷達(dá)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，實(shí)施步驟如下： 步驟1參數(shù)采集 設(shè)計(jì)一個(gè)在二維平面內(nèi)的ΜΙΜΟ雷達(dá)，需要選取的相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)如下： 1) . Μ個(gè)發(fā)射天線Ν個(gè)接收天線； 2) .第m(m= 1，. . .，Μ)個(gè)發(fā)射天線與第η(η = 1，. . .，Ν)個(gè)接收天線所在位置分別是3) .第m個(gè)發(fā)射天線發(fā)射一個(gè)持續(xù)時(shí)間為Τ的窄帶脈沖信號(hào)，其中ε是發(fā)射信 號(hào)的總能量，sm(t)是發(fā)射信號(hào)的基帶部分，載波頻率f。； 4) .收集每條路徑的噪聲功率;第η個(gè)接收天線接收到的雷達(dá)回波信號(hào)復(fù)包絡(luò)如下：其中amn和wmn⑴分別代表第mn個(gè)路徑的目標(biāo)反射系數(shù)和加性干擾噪聲，imn(p)和f mn(p， ν)分別代表對(duì)應(yīng)的第mn個(gè)的收發(fā)對(duì)以及位于p: = (X，#點(diǎn)、速度向量為ν = (νΛ, 的目標(biāo)之 間的時(shí)延和多普勒頻移； 5) .最遠(yuǎn)的探測距離D; 在系統(tǒng)預(yù)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)和實(shí)際需要，上述每個(gè)參數(shù)有多個(gè)合理取值，能給出多 個(gè)系統(tǒng)方案，將這些系統(tǒng)方案作為備選系統(tǒng)； 步驟2簡化指標(biāo)β計(jì)算 簡化指標(biāo)β定義為(2) 目標(biāo)信息0和誤差S的概率分布均為？0( ·);待估參數(shù)Θ的取值為二元假設(shè)問題：Ho: 沒和 Η1 : # =切 + 在定義供.=.('ι'Λ.，vr) '，δ = (4 Λ' \ s: p ,故而最小錯(cuò)誤概率 a，"0、為(6) (7) 每個(gè)路徑SCNR定義為 將所有路徑的T生澩噪κ均墳73η; 模糊函數(shù)Amn為(8) 時(shí)延TmnS其中C是光速，λ是電磁波長； 將每個(gè)備選系統(tǒng)參數(shù)帶入公式（2)，得到所有備選系統(tǒng)的簡化指標(biāo)m直，對(duì)這些簡化指 標(biāo)m直進(jìn)行排序，得出備選系統(tǒng)的相對(duì)性能;m直越小的備選系統(tǒng)越早進(jìn)入漸進(jìn)區(qū)，系統(tǒng)的估 計(jì)性能更為優(yōu)良。
【文檔編號(hào)】G01S7/02GK105954725SQ201610545410
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年7月12日
【發(fā)明人】何茜, 鄔雄偉
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)