基于迭代最小二乘方法的mimo雷达doa估计方法
【专利摘要】一种基于迭代最小二乘方法的MIMO雷达DOA估计方法，用迭代最小二乘方法求解经过降维处理的接收和发射阵列响应矩阵。首先对多个雷达发射脉冲的回波数据矩阵以及接收和发射阵列响应矩阵进行降维处理；然后在最小二乘条件下建立代价函数，并利用基于梯度下降的迭代方法求解代价函数；最后利用已知的收、发阵列流形估计目标方向。与传统的单基地MIMO雷达阵列DOA估计方法相比：本发明直接得到目标的DOA估计，不需要进行谱峰搜索；采用降维处理有效抑制了噪声，提高了低信噪比下的估计精度；避免了高维数据协方差矩阵的估计、求逆及特征值分解运算，克服了传统阵列DOA估计方法应用于单基地MIMO雷达时计算量大、需要样本数大的缺点。
【专利说明】基于迭代最小二乘方法的MIMO雷达DOA估计方法
【技术领域】
[0001]本发明属于雷达信号处理【技术领域】，具体说是根据单基地MMO(multiple-transmit multiple-receive)雷达目标回波数据所包含的结构信息,运用迭代最小二乘(1-LS)方法对雷达目标进行波达方向(DOA, Direction-of-Arrival)估计的方法。
【背景技术】
[0002]从上世纪30年代第二次世界大战以来，现代雷达技术已经历了 80多年突飞猛进的发展。21世纪以来，在MMO无线通信理论所取得的巨大成功的推动下，一种新体制雷达——MIMO雷达逐渐成为雷达领域的研究热点。根据雷达天线在空间的分布，MIMO雷达可以分为集中式MMO雷达和分布式MMO雷达两类。其中，集中式MMO雷达根据接收端和发射端之间的位置关系，又可以采用单基地和双基地两种工作模式。单基地MIMO雷达的接收端和发射端相距很近(相对于目标距离)，位于同一个雷达站，而双基地MIMO雷达的接收端和发射端分别位于相距较远的两个雷达站，与目标所成的角度不同。
[0003]信号的波达方向(DOA)估计是阵列信号处理中的一个重要研究内容，它在雷达、无线通信、电磁场、声纳、医学成像和地震勘探等诸多领域的应用日益受到人们的重视。DOA估计的主要目的是确定同时处在空间某一区域内的多个感兴趣的目标源信号的空间位置。早期的DOA估计方法以常规的波束形成方法为代表。这种方法的实质是用阵元的空域采样代替时域数据，是传统时域傅里叶谱估计向空域的简单推广，因而其分辨力会受到阵列物理孔径(瑞利限制)的约束，使得位于同一个波束宽度内的空间目标无法分辨。通过增大阵列孔径可以提高分辨力，但是在实际情况中，阵列孔径的增大要受到各种因素的制约。因此，高分辨DOA估计技术应运而生，并在随后的几十年里得到了飞速的发展。Burg提出的最大熵法和Capon提出的最小方差法克服了常规波束形成算法分辨力较低的缺点，但是仍然难以突破阵列孔径的瑞利限制。Schimdt提出的多重信号分类(MUSIC)算法则是通过对阵列协方差矩阵进行特征值分解，将观测数据空间划分为相互正交的信号子空间和噪声子空间，然后利用阵列导向矢量与噪声子空间之间的正交性来获取信号的DOA估计，从而突破了以往谱估计算法中阵列孔径的瑞利限制。但是MUSIC算法需要进行谱峰穷尽搜索，运算量和存储量极大。Paulraj、Roy和Kailath基于阵列结构信号子空间的旋转不变特性提出了著名的ESPRIT算法。ESPRIT算法不需要进行谱峰搜索就可以直接给出超分辨的DOA估计，因而成为了最具应用价值的空间谱估计方法之一。这些经典的阵列高分辨DOA估计算法都在MMO雷达中得到了应用，即MMO-Capon算法，MIMO-MUSIC算法，接收ESPRIT算法和MM0-ESPRIT算法等。但是在数据维数剧增的MMO雷达系统中，这些方法不但计算量庞大，而且要得到好的性能需要极大的样本数，不利于工程实现。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是:针对现有的阵列DOA估计方法应用于MMO雷达时存在的诸多不足，如需要对数据协方差矩阵进行求逆或特征值分解运算而使得算法所涉及的计算量巨大，要获得好的性能需要极大的样本数等，本发明提出了一种迭代最小二乘(1-LS)方法对单基地MMO雷达目标进行波达方向(DOA)估计。该方法大大地降低了所需的计算量，并提高了小样本条件下的估计性能。
[0005]本发明的技术方案概括为:首先对多个雷达发射脉冲的回波数据矩阵以及接收和发射阵列响应矩阵进行降维处理，从而使计算量减小，迭代速度加快；然后，在最小二乘条件下建立代价函数，并给出一种基于梯度下降的迭代方法求解代价函数，其中，本发明的迭代方法是交替地估计目标相对于接收、发射阵列的响应矩阵以及一组包含回波幅度信息的对角矩阵；最后，利用已知的收、发阵列流形估计目标方向。具体实现过程如下:
[0006](I)对回波数据矩阵X(k) =Α(Θ)Λ (k)BH( 9)+ff(k)进行降维处理，使其成为
LXL 维方阵 Y(k)，用计算式表示为:Y(/<) = UuX(k)V = AA{k)Bv' +W(k) ’ 则 NXL 维的
接收阵列响应矩阵Α( Θ )和MXL维的发射阵列响应矩阵Β( Θ )分别降维成LXL维方阵
A^UHA(0)mB = VHB{0)其中，M为雷达发射通道数，N为雷达接收通道数，L为目标个
数，k = 1，…，K，K表示在一个相干处理间隔内各个发射通道发射的脉冲数，U和V分别表示NXL维左降维矩阵和MXL维右降维矩阵，令β (k) = [iMk)，…，i3L(k)]T，β (k)表示目标随机幅度向量，对角矩阵A (k) =diag{^1(k),..., ^L(k)}, ff(k)为匹配滤波器的噪
声输出，中=上标τ和上标η分别表示对矩阵或向量求转置和求共轭转置；
[0007](2)寻找接收和发射阵列响应矩阵J和启以及一组对角矩阵MG)}。，在最小二
乘条件下建立出代价函数为
【权利要求】
1.基于迭代最小二乘方法的MIMO雷达DOA估计方法，其特征是:用迭代最小二乘方法求解经过降维处理的接收和发射阵列响应矩阵；首先对多个雷达发射脉冲的回波数据矩阵以及接收和发射阵列响应矩阵进行降维处理，然后在最小二乘条件下建立代价函数，并利用基于梯度下降的迭代方法求解代价函数，最后利用已知的收、发阵列流形估计目标方向；具体实现过程如下: 1)对回波数据矩阵
2.根据权利要求1所述的基于迭代最小二乘方法的MMO雷达DOA估计方法，其特征是:对回波数据矩阵X(k)、接收阵列响应矩阵Α(θ)和发射阵列响应矩阵Β(θ)进行降维处理，具体过程如下: {1}降维处理方法用如下的式子表示为:
3.根据权利要求2所述的基于迭代最小二乘方法的MMO雷达DOA估计方法，其特征是:用最小二乘方法求解经过降维处理的接收和发射阵列响应矩阵及其迭代求解的过程如下: {1}最小二乘条件下的代价函数及约束条件为:
4.根据权利要求3所述的基于迭代最小二乘方法的MMO雷达DOA估计方法，其特征是:用迭代方法求解接收和发射阵列响应矩阵的流程如下: [1]给定初值矩阵和為。>; [2]将4μ?和卑-D分别代入式(13)中，更新对角矩阵组
5.根据权利要求4所述的基于迭代最小二乘方法的MMO雷达DOA估计方法，其特征是:利用求解出的；j和及的估计值j和I，恢复出目标的接收和发射导向矢量矩阵
【文档编号】G01S7/02GK103744061SQ201410018276
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2014年1月15日 优先权日:2014年1月15日
【发明者】冯大政, 赵海霞, 吕辉, 朱国辉, 解虎, 袁明冬 申请人:西安电子科技大学