提高雷達(dá)目標(biāo)估計(jì)性能的天線個數(shù)分配方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及提高雷達(dá)目標(biāo)估計(jì)性能的天線個數(shù)分配方法，步驟包括：a．根據(jù)雷達(dá)信號特性建立信號模型；b．計(jì)算雷達(dá)目標(biāo)角度估計(jì)下的克拉美-羅界；c．定義雷達(dá)系統(tǒng)下的中斷概率；d．計(jì)算中斷概率，得到中斷概率的上限和下限，通過卡方分布的分布函數(shù)計(jì)算得到中斷概率；e．改變天線陣元個數(shù)配置，獲得最小中斷概率。本發(fā)明的方法通過選擇不同發(fā)射天線陣元個數(shù)和接收天線陣元個數(shù)，能夠得到最小的中斷概率，從而獲得最大的雷達(dá)目標(biāo)估計(jì)性能，明顯使雷達(dá)的估計(jì)性能得到了顯著的提高。
【專利說明】提高雷達(dá)目標(biāo)估計(jì)性能的天線個數(shù)分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于雷達(dá)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體的講是提高雷達(dá)特別是MIMO雷達(dá)目標(biāo)估計(jì)性能的天線個數(shù)分配方法。
【背景技術(shù)】
[0002]MIMO (Multiple-1nput Multuple-Output)雷達(dá)是利用多個發(fā)射天線協(xié)同發(fā)射探測信號，并使用多個接收天線同步接收和處理回波信號的一種新體制雷達(dá)。根據(jù)天線配置上可將MMO雷達(dá)分為收發(fā)共置MMO雷達(dá)和收發(fā)分MMO雷達(dá)，在對MMO雷達(dá)研究過程中，Bell實(shí)驗(yàn)室借鑒了移動通信中空間分集思想，與相控陣?yán)走_(dá)要求各陣元接收信號相干不同，而是通過增大個陣元間距來使各陣元信號相互獨(dú)立，以獲得空間分集增益。與傳統(tǒng)雷達(dá)理論相比，MMO雷達(dá)在信號檢測能力、參數(shù)估計(jì)精度、目標(biāo)分辨率等方面較傳統(tǒng)雷達(dá)有明顯優(yōu)點(diǎn)。同時MIMO雷達(dá)對均勻雜波中運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行檢測，利用分置天線和正交信號，使得MMO雷達(dá)可以同時從不同角度獨(dú)立探測目標(biāo)(見文獻(xiàn):OOMO雷達(dá)概念及其技術(shù)特點(diǎn)分析》，作者:何子述、韓春林、劉波，出版于:電子學(xué)報，2005，33 (12A);以及，((MIMO Radarwith Widely Separated Antennas》，作者！Alexander M.Haimovich, Rick S.Blum, andLeonard J.Cimini, Jr,出版于 IEEE signal processing magazine, Volume 25, Issue1，Page (s): 116 ?129，2008 ;還有《Spatial Diversity in Radars-Models and DetectionPerformance》， 作 者！Alexander M.Haimovich, Rick S.Blum, Leonard J.Cimini, D.Chizhik,出版于 IEEE transactions on signal processing, Volume: 54, Issue: 3, Page (s):823 ?838，March 2006)。
[0003]在眾多的算法評估準(zhǔn)則中，克拉美-羅界(Cramer-Rao Bound,CRB)是最常用的評價參數(shù)估計(jì)性能的一個指標(biāo)。CRB提供了任何一個無偏估計(jì)量的方差所能達(dá)到的理論下界，如果估計(jì)量可以達(dá)到CRB，那么該估計(jì)量就是有效的估計(jì)，CRB的分析為比較無偏估計(jì)量的性能提供了一個標(biāo)準(zhǔn)，而不須涉及具體的參數(shù)估計(jì)方法。近期研究表明可以利用平均克拉羅美界(average CRB)和中斷克拉羅美界(outage CRB)來對參數(shù)估計(jì)進(jìn)行性能評估(見文獻(xiàn)《ΜΙΜ0 radar moving target detection in homogeneous clutter》，作者:Qian He,N.Lehmann, R.S.Blum and A.M.Haimovich.出版于 IEEE Transaction on Aerospace andElectronic Systems, 2010 ;以及，〈〈Evaluation of Transmit Diversity in MIMO-radarDirection Finding》，作者:N.Lehmann, E.Fishier, A.M.Haimovich, R.S.Blum.,出版于IEEE Transactions on Signal Processing, May2007 ；以及〈〈Cramer-rao bounds forestimating range》，作者:A.Dogandzic and A.Nehorai,出版于 IEEE Transactions onSignal Processing, June 2001)。
[0004]中斷概率為角度估計(jì)條件下的克拉美-羅界(CRB)大于某門限的概率，中斷概率能夠很好地體現(xiàn)系統(tǒng)的檢測和估計(jì)性能。通過計(jì)算中斷概率，我們可以得到多方面(天線、反射角度等)的重要信息(見文獻(xiàn):《Diversity Gain for MIMO Neyman-PearsonSignal Detection〉〉，作者:Qian He; Rick S.Blum ;出版于 IEEE transactions on signalprocessing Mar 2011 ;以及〈〈Diversity Gain for MIMO Radar Employing NonorthogonalWaveforms)),作者:Qian He; Rick S.Blum ；出版于:IEEE transactions on signalprocessing Mar 2011)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了一種提高雷達(dá)目標(biāo)估計(jì)性能的天線個數(shù)分配方法，利用估計(jì)目標(biāo)反射角度的克拉美-羅界，改變發(fā)射天線和接收天線個數(shù)，使得中斷概率最小，從而獲得最大的估計(jì)性能。
[0006]本發(fā)明提高雷達(dá)目標(biāo)估計(jì)性能的天線個數(shù)分配方法，包括:
[0007]a.根據(jù)雷達(dá)信號特性建立信號模型:將具有M個發(fā)射天線陣元的發(fā)射陣列和具有N個接收天線陣元的接收陣列分開放置，并且發(fā)射天線陣元之間的間隔遠(yuǎn)大于接收天線陣元之間的間隔，其中M和N均為自然數(shù)，且M+N為固定值；設(shè)置目標(biāo)，目標(biāo)上的每個散射點(diǎn)的反射系數(shù)都是獨(dú)立同分布的隨機(jī)變量，將目標(biāo)的各散射點(diǎn)排列為均勻線性陣列，該線性陣列且與發(fā)射陣列和接收陣列所在平面平行；發(fā)射陣列的信號到達(dá)目標(biāo)后從待估計(jì)角度的角度方向反射到接收陣列，得到信號經(jīng)目標(biāo)反射后的相移和導(dǎo)向向量，根據(jù)導(dǎo)向向量得到回波信號的表達(dá)式，通過回波信號表達(dá)式中包含的發(fā)射信號參量得到發(fā)射矩陣到目標(biāo)散射點(diǎn)的方向矩陣；根據(jù)發(fā)射陣列導(dǎo)向向量的正交性得到接收信號的相關(guān)矩陣；
[0008]b.計(jì)算雷達(dá)目標(biāo)角度估計(jì)下的克拉美-羅界:根據(jù)步驟a建立的信號模型，得到接收陣列上的波束方向，再由所述的波束方向得到目標(biāo)方位角度估計(jì)的克拉美-羅界；
[0009]c.定義雷達(dá)系統(tǒng)下的中斷概率:根據(jù)步驟b的目標(biāo)方位角度估計(jì)的克拉美-羅界，定義中斷概率，所述的中斷概率為目標(biāo)方位角度估計(jì)條件下的克拉美-羅界大于設(shè)定門限的概率；
[0010]d.計(jì)算中斷概率:根據(jù)步驟b和步驟C，得到中斷概率的上限和下限，通過卡方分布的分布函數(shù)計(jì)算得到中斷概率；
[0011]e.改變天線陣元個數(shù)配置，獲得最小中斷概率:通過步驟d計(jì)算得到的中斷概率，在發(fā)射天線陣元+接收天線陣元總個數(shù)一定的情況下，改變發(fā)射天線陣元個數(shù)和接收天線陣元個數(shù)，重復(fù)步驟b?d，計(jì)算得到不同發(fā)射天線個數(shù)下的中斷概率，從而獲得最小中斷概率。
[0012]首先根據(jù)在天線陣元個數(shù)總和一定條件下收發(fā)分置的雷達(dá)信號的特點(diǎn)建立角度估計(jì)下的信號模型，然后結(jié)合收發(fā)分置雷達(dá)信號模型計(jì)算角度估計(jì)下的克拉美-羅界(CRB)0接著利用估計(jì)目標(biāo)反射角度的CRB構(gòu)造雷達(dá)系統(tǒng)下的中斷概率，通過選擇不同發(fā)射天線陣元個數(shù)和接收天線陣元個數(shù)，計(jì)算得到最小的中斷概率，從而獲得最大的雷達(dá)目標(biāo)估計(jì)性能，使雷達(dá)具有更好的估計(jì)性能。
[0013]優(yōu)選的，步驟a中發(fā)射陣列中的M個發(fā)射天線陣元和接收陣列中的N個接收天線陣元均是等間距分布的。
[0014]進(jìn)一步的，步驟a中發(fā)射陣列發(fā)射的信號在目標(biāo)各散射點(diǎn)上的反射角度是相互獨(dú)立的。
[0015]為了提高計(jì)算的準(zhǔn)確性，優(yōu)選的一種方法是在步驟b中根據(jù)有衰減因子條件下待估計(jì)的參數(shù)向量的信息矩陣，得到接收陣列上的波束方向，再通過信號到達(dá)接收天線陣元的入射波方向得到有衰減因子條件下的目標(biāo)方位角度估計(jì)的克拉美-羅界。
[0016]優(yōu)選的，所述的雷達(dá)為MIMO雷達(dá)，也可以包括其它具有類似性能和特點(diǎn)的雷達(dá)系統(tǒng)。[0017]本發(fā)明的方法通過選擇不同發(fā)射天線陣元個數(shù)和接收天線陣元個數(shù)，能夠得到最小的中斷概率，從而獲得最大的雷達(dá)目標(biāo)估計(jì)性能，明顯使雷達(dá)的估計(jì)性能得到了顯著的提聞。
[0018]以下結(jié)合實(shí)施例的【具體實(shí)施方式】，對本發(fā)明的上述內(nèi)容再作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實(shí)例。在不脫離本發(fā)明上述技術(shù)思想情況下，根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)知識和慣用手段做出的各種替換或變更，均應(yīng)包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明方法的流程圖。
[0020]圖2為收發(fā)分置MIMO雷達(dá)系統(tǒng)的示意圖。
[0021]圖3為本發(fā)明的方法在發(fā)射天線陣元個數(shù)與接收天線陣元個數(shù)之和為20的情況下，改變發(fā)射天線陣元個數(shù)的中斷概率與發(fā)射天線陣元個數(shù)之比的曲線圖。
[0022]圖4為本發(fā)明的方法在不同信噪比SNR情況下，改變發(fā)射天線個數(shù)的中斷概率與信噪比SNR之比的曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]以MIMO雷達(dá)系統(tǒng)為例，本發(fā)明提高雷達(dá)目標(biāo)估計(jì)性能的天線個數(shù)分配方法，為方便描述，首先進(jìn)行如下定義:
[0024]收發(fā)分置的MMO雷達(dá)系統(tǒng):具有M個發(fā)射天線陣元的發(fā)射陣列和N個接收天線陣元的接收陣列的MMO雷達(dá)，其各發(fā)射天線發(fā)射陣元之間的間距很大而各接收天線接收陣元之間的間距很小，即各發(fā)射天線發(fā)射陣元之間的間距遠(yuǎn)大于各接收天線接收陣元之間的間距，且M+N為固定值。
[0025]均勻線性陣列:各陣元按等間距分布的線性陣列。
[0026]導(dǎo)向向量:發(fā)射信號到達(dá)不同目標(biāo)散射點(diǎn)產(chǎn)生的不同相移
[0027]中斷概率:定義為角度估計(jì)條件下的CRB大于某門限的概率，中斷概率很好的體現(xiàn)了雷達(dá)目標(biāo)參數(shù)估計(jì)的估計(jì)性能，中斷概率越小，雷達(dá)目標(biāo)估計(jì)性能越好。
[0028]如圖1所示，本發(fā)明的方法步驟包括:
[0029]a.根據(jù)MMO雷達(dá)信號特性建立信號模型:
[0030]設(shè)MIMO雷達(dá)系統(tǒng)中具有M個發(fā)射天線陣元的發(fā)射陣列和N個接收天線陣元的接收陣列，M+N為固定值，并且發(fā)射天線陣元和接收天線陣元是分開放置的，發(fā)射天線陣元之間間隔很大而接收天線陣元之間間隔很小，即各發(fā)射天線發(fā)射陣元之間的間距遠(yuǎn)大于各接收天線接收陣元之間的間距，其中假設(shè)目標(biāo)含有Q個獨(dú)立的散射點(diǎn)，每個散射點(diǎn)上的反射系數(shù)為? ,，其中q=0，Q-1，所有散射點(diǎn)上的反射系數(shù)都是獨(dú)立同分布的隨機(jī)變量，故目標(biāo)反射系數(shù)歸一化矩陣可以表示為:
[0031]
【權(quán)利要求】
1.提高雷達(dá)目標(biāo)估計(jì)性能的天線個數(shù)分配方法，其特征包括: a.根據(jù)雷達(dá)信號特性建立信號模型:將具有M個發(fā)射天線陣元的發(fā)射陣列和具有N個接收天線陣元的接收陣列分開放置，并且發(fā)射天線陣元之間的間隔遠(yuǎn)大于接收天線陣元之間的間隔，其中M和N均為自然數(shù)，且M+N為固定值；設(shè)置目標(biāo)，目標(biāo)上的每個散射點(diǎn)的反射系數(shù)都是獨(dú)立同分布的隨機(jī)變量，將目標(biāo)的各散射點(diǎn)排列為均勻線性陣列，該線性陣列且與發(fā)射陣列和接收陣列所在平面平行；發(fā)射陣列的信號到達(dá)目標(biāo)后從待估計(jì)角度的角度方向反射到接收陣列，得到信號經(jīng)目標(biāo)反射后的相移和導(dǎo)向向量，根據(jù)導(dǎo)向向量得到回波信號的表達(dá)式，通過回波信號表達(dá)式中包含的發(fā)射信號參量得到發(fā)射矩陣到目標(biāo)散射點(diǎn)的方向矩陣；根據(jù)發(fā)射陣列導(dǎo)向向量的正交性得到接收信號的相關(guān)矩陣； b.計(jì)算雷達(dá)目標(biāo)角度估計(jì)下的克拉美-羅界:根據(jù)步驟a建立的信號模型，得到接收陣列上的波束方向，再由所述的波束方向得到目標(biāo)方位角度估計(jì)的克拉美-羅界； c.定義雷達(dá)系統(tǒng)下的中斷概率:根據(jù)步驟b的目標(biāo)方位角度估計(jì)的克拉美-羅界，定義中斷概率，所述的中斷概率為目標(biāo)方位角度估計(jì)條件下的克拉美-羅界大于設(shè)定門限的概率； d.計(jì)算中斷概率:根據(jù)步驟b和步驟C，得到中斷概率的上限和下限，通過卡方分布的分布函數(shù)計(jì)算得到中斷概率； e.改變天線陣元個數(shù)配置，獲得最小中斷概率:通過步驟d計(jì)算得到的中斷概率，在發(fā)射天線陣元+接收天線陣元總個數(shù)一定的情況下，改變發(fā)射天線陣元個數(shù)和接收天線陣元個數(shù)，重復(fù)步驟b?d，計(jì)算得到不同發(fā)射天線個數(shù)下的中斷概率，從而獲得最小中斷概率。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征為:步驟a中發(fā)射陣列中的M個發(fā)射天線陣元和接收陣列中的N個接收天線陣元均是等間距分布的。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征為:步驟a中發(fā)射陣列發(fā)射的信號在目標(biāo)各散射點(diǎn)上的反射角度是相互獨(dú)立的。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征為:步驟b中根據(jù)有衰減因子條件下待估計(jì)的參數(shù)向量的信息矩陣，得到接收陣列上的波束方向，再通過信號到達(dá)接收天線陣元的入射波方向得到有衰減因子條件下的目標(biāo)方位角度估計(jì)的克拉美-羅界。
5.如權(quán)利要求1至4之一所述的方法，其特征為:所述的雷達(dá)為MIMO雷達(dá)。
【文檔編號】H04B7/04GK103499811SQ201310381288
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年8月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月28日
【發(fā)明者】丁琦, 何茜 申請人:電子科技大學(xué)