一种非正交波形下集中式MIMO雷达的目标点迹融合方法与流程

文档序号:12456900阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种非正交波形下集中式MIMO雷达的目标点迹融合方法,其特征在于,包括以下步骤:

步骤1,建立MIMO雷达在笛卡尔坐标系中的几何模型,所述MIMO雷达的接收阵元的个数为N,接收波束的个数为L,威力辐射空域范围为Ω;

计算每个接收波束的中心指向及脉冲压缩处理系数;

步骤2,将所述MIMO雷达的威力辐射空域范围Ω对应的检测区域均匀划分为K个检测子区域,K表示预设的检测子区域个数;

对k和i进行初始化,令k=1,i=1;

步骤3,利用第i个接收波束的中心指向计算得到所述第i个接收波束在第k个检测子区域的增益,进而利用所述第i个接收波束在所述第k个检测子区域的增益,计算得到所述第k个检测子区域以所述第i个接收波束的中心指向为基准的接收合成信号;

确定所述第i个接收波束的中心指向所在的检测子区域为第ki个检测子区域,利用所述第ki个检测子区域以所述第i个接收波束的中心指向为基准的接收合成信号进行目标检测,得到所述第i个接收波束的目标检测结果集合Di

其中,所述目标检测结果集合Di包括检测得到的Mi个目标点迹的距离、速度以及强度,Mi表示目标检测结果集合Di包含的目标点迹总数,Mi为整数,Mi≥0;

步骤4,令i加1,返回步骤3,直至i=L,得到L个接收波束的目标检测结果集合D1,D2,…DL

步骤5,令k加1,返回步骤3,直至k=K;

对m进行初始化,令m=1;转至步骤6;

步骤6,利用第m个接收波束的脉冲压缩处理系数、第m+1个接收波束的脉冲压缩处理系数、每个检测子区域以所述第m个接收波束的中心指向为基准的接收合成信号以及每个检测子区域以所述第m+1个接收波束的中心指向为基准的接收合成信号,计算得到所述第m个接收波束的角度测量查找向量,并确定所述第m个接收波束的角度测量查找向量中的最大值maxm和最小值minm

利用所述第m个接收波束的角度测量查找向量中的最大值maxm和最小值minm以及所述第m+1个接收波束的目标检测结果集合Dm+1,对所述第m个接收波束的目标检测结果集合Dm包含的Mm个目标点迹进行关联处理,并计算所述目标检测结果集合Dm经关联处理后各剩余点迹的角度测量值,得到所述第m个接收波束的含角度测量值的目标点迹集合

步骤7,令m加1,返回步骤6,直至m=L-1,得到前L-1个接收波束的含角度测量值的目标点迹集合

根据所述MIMO雷达的发射波形,确定第L个接收波束的含角度测量值的目标点迹集合

对l进行初始化,令l=1,转至步骤8;

步骤8,对于第l个接收波束,利用其余L-1个接收波束的含角度测量值的目标点迹集合,对所述第l个接收波束的含角度测量值的目标点迹集合进行点迹过滤得到所述第l个接收波束对应的目标点迹集合D′l;其中,所述其余L-1个接收波束为L个接收波束中除第l个接收波束之外的L-1个接收波束;

步骤9,令l加1,返回步骤8,直至l=L,得到L个目标点迹集合D′1,D′2,…,D′L

利用所述L个目标点迹集合D′1,D′2,…,D′L进行点迹融合,得到一个相干处理时间内全部L个接收波束对应的目标点迹集合最终序列

2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,计算第i个接收波束的中心指向,所述第i个接收波束为L个接收波束中的任一接收波束,包括:

(1a)确定各接收阵元的位置矢量在笛卡尔坐标系中方位维和俯仰维的投影,进而利用全部N个接收阵元在笛卡尔坐标系中方位维的投影计算得到所述MIMO雷达的水平天线孔径长度以及利用全部N个接收阵元在笛卡尔坐标系中俯仰维的投影计算得到所述MIMO雷达的俯仰维天线孔径长度

其中,pnx表示第n个接收阵元在笛卡尔坐标系中方位维的投影,p(n-1)x表示第n-1个接收阵元在笛卡尔坐标系中方位维的投影,pnz表示第n个接收阵元在笛卡尔坐标系中俯仰维的投影,p(n-1)z表示第n-1个接收阵元在笛卡尔坐标系中俯仰维的投影,∑表示求和操作;

(1b)利用所述水平天线孔径长度B,计算得到所述MIMO雷达的水平维3dB波束宽度γ;以及,利用所述俯仰维大线孔径长度C,计算得到所述MIMO雷达的俯仰维3dB波束宽度

其中,3dB波束宽度是指笛卡尔坐标系中雷达接收增益下降至最大值的时对应的雷达接收角度区间的宽度;所述MIMO雷达的水平维3dB波束宽度γ表达式为:所述MIMO雷达的俯仰维3dB波束宽度的表达式为:λ表示雷达波长,且c表示电磁波传播速度,fc表示雷达的发射频率;

(1c)确定所述MIMO雷达的威力辐射空域范围Ω在笛卡尔坐标系中方位维的投影Ωγ和俯仰维的投影

利用所述MIMO雷达的威力辐射空域范围Ω在笛卡尔坐标系中方位维的投影Ωγ和所述MIMO雷达的水平维3dB波束宽度γ,计算得到方位维所需接收波束个数Nγ

利用所述MIMO雷达的威力辐射空域范围Ω在笛卡尔坐标系中俯仰维的投影和所述MIMO雷达的俯仰维的3dB波束宽度计算得到俯仰维所需接收波束个数

其中,所述方位维所需接收波束个数Nγ的表达式为:俯仰维所需接收波束个数的表达式为:表示向上取整;

(1d)利用所述MIMO雷达的威力辐射空域范围Ω在笛卡尔坐标系中方位维的投影Ωγ、俯仰维的投影以及方位维所需接收波束个数Nγ、俯仰维所需接收波束个数计算得到第i个接收波束的中心指向

其中,γi表示第i个接收波束的中心指向在方位维的投影,表示第i个接收波束的中心指向在俯仰维的投影。

3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,计算第i个接收波束的脉冲压缩处理系数,所述第i个接收波束为L个接收波束中的任一接收波束,包括:

若所述MIMO雷达的发射波形为部分相关波形,则根据所述第i个接收波束的中心指向和传播矢量以及全部N个接收阵元的发射信号和位置矢量,计算得到所述第i个接收波束的脉冲压缩处理系数

若所述MIMO雷达的发射波形为全相关波形,则根据参考阵元的发射信号计算得到所述第i个接收波束的脉冲压缩处理系数ci=fliplr(s0)*

其中,fliplr(·)表示序列反序操作,di表示第i个接收波束的传播矢量,s0表示参考阵元的发射信号,sn表示第n个接收阵元的发射信号,n∈{1,2,…,N},·表示点积运算,上标*表示共轭操作。

4.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,步骤3中,所述利用第i个接收波束的中心指向计算得到所述第i个接收波束在第k个检测子区域的增益,进而利用所述第i个接收波束在所述第k个检测子区域的增益,计算得到所述第k个检测子区域以所述第i个接收波束的中心指向为基准的接收合成信号,包括以下子步骤:

(3a)根据所述第i个接收波束的中心指向,确定所述第i个接收波束的传播矢量,进而利用所述第i个接收波束的传播矢量以及全部N个接收阵元的位置矢量,计算得到所述第i个接收波束的加权矢量wi={wi1 wi2 … win … wiN};

其中,win表示wi的第n个元素,n∈{1,2,…,N},pn表示第n个接收阵元的位置矢量,表示第i个接收波束的传播矢量,γi表示第i个接收波束的中心指向在方位维的投影,表示第i个接收波束的中心指向在俯仰维的投影,λ表示雷达波长,·表示点积运算;

(3b)根据所述第k个检测子区域的中心指向,确定所述第k个检测子区域的传播矢量,进而利用所述第k个检测子区域的传播矢量及所述第i个接收波束的加权矢量wi,计算得到所述第i个接收波束在所述第k个检测子区域的增益;

其中,第k个检测子区域的传播矢量为k∈{1,2,…,K},γk表示第k个检测子区域的中心指向在方位维的投影,表示第k个检测子区域的中心指向在俯仰维的投影;第i个接收波束在第k个检测子区域的增益为

(3c)利用所述第k个检测子区域的传播矢量、所述第i个接收波束的传播矢量、全部N个接收阵元的发射信号及位置矢量,计算得到所述第k个检测子区域以所述第i个接收波束的中心指向为基准的方位合成信号,并对该方位合成信号进行后向散射操作,得到所述第k个检测子区域对应的经后向散射操作后的方位合成信号;

其中,第k个检测子区域以第i个接收波束的中心指向为基准的方位合成信号的表达式为:ck(t)表示第k个检测子区域以第i个接收波束的中心指向为基准的方位合成信号,sn表示第n个接收阵元的发射信号;

(3d)利用所述第k个检测子区域对应的经后向散射操作后的方位合成信号以及所述第i个接收波束在所述第k个检测子区域的增益,计算得到所述第k个检测子区域以所述第i个接收波束的中心指向为基准的接收合成信号;

其中,第k个检测子区域以第i个接收波束的中心指向为基准的接收合成信号的表达式为:表示第k个检测子区域以第i个接收波束的中心指向为基准的接收合成信号,ck表示第k个检测子区域对应的经后向散射操作后的方位合成信号。

5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤6中,所述利用第m个接收波束的脉冲压缩处理系数、第m+1个接收波束的脉冲压缩处理系数、每个检测子区域以所述第m个接收波束的中心指向为基准的接收合成信号以及每个检测子区域以所述第m+1个接收波束的中心指向为基准的接收合成信号,计算得到所述第m个接收波束的角度测量查找向量,并确定所述第m个接收波束的角度测量查找向量中的最大值maxm和最小值minm,具体包括以下子步骤:

(6a-1)利用所述第m个接收波束在各检测子区域的增益,构造得到所述第m个接收波束的增益向量gm=[gm(1) gm(2) … gm(k) … gm(K)];以及,利用所述第m+1个接收波束在各检测子区域的增益,构造得到所述第m+1个接收波束的增益向量gm+1=[gm+1(1) gm+1(2) … gm+1(k) … gm+1(K)];其中,gm(k)表示第m个接收波束在第k个检测子区域的增益,gm+1(k)表示第m+1个接收波束在第k个检测子区域的增益,k∈{1,2,…,K};

确定当前相干处理时间内所述MIMO雷达的发射波形:若所述MIMO雷达的发射波形为部分相关波形,则转至步骤(6a-2);若所述MIMO雷达的发射波形为全相关波形,则转至步骤(6a-5);

(6a-2)利用所述第m个接收波束的脉冲压缩处理系数cm,对第k个检测子区域以所述第m个接收波束的中心指向为基准的方位向合成信号进行脉冲压缩处理,得到所述第k个检测子区域对应的第m个接收波束的脉压信号以及,利用所述第m+1个接收波束的脉冲压缩处理系数cm+1,对所述第k个检测子区域以所述第m+1个接收波束的中心指向为基准的方位向合成信号进行脉冲压缩处理,得到所述第k个检测子区域对应的第m+1个接收波束的脉压信号其中,k取1到K之间的所有整数;

转至步骤(6a-3);

(6a-3)利用每个检测子区域对应的第m个接收波束的脉压信号,计算得到所述第m个接收波束的脉冲综合损失加权向量Im=[Im,1 Im,2 … Im,k … Im,K],以及,利用每个检测子区域对应的第m+1个接收波束的脉压信号,计算得到所述第m+1个接收波束的脉冲综合损失加权向量Im+1=[Im+1,1 Im+1,2 … Im+1,k … Im+1,K];其中,Im,k表示Im的第k个元素,Im+1,k表示Im+1的第k个元素,|·|表示取模值操作,max{}表示取最大值操作;

转至步骤(6a-4);

(6a-4)利用所述第m个接收波束的增益向量gm以及所述第m个接收波束的脉冲综合损失加权向量Im,计算得到所述第m个接收波束的实际增益向量以及,利用所述第m+1个接收波束的增益向量gm+1以及所述第m+1个接收波束的脉冲综合损失加权向量Im+1,计算得到所述第m+1个接收波束的实际增益向量⊙表示Hadamard乘积;

转至步骤(6a-6);

(6a-5)将所述第m个接收波束的增益向量gm确定为所述第m个接收波束的实际增益向量以及,将所述第m+1个接收波束的增益向量gm+1确定为所述第m+1个接收波束的实际接收波束增益

转至步骤(6a-6);

(6a-6)利用所述第m个接收波束的实际增益向量和所述第m+1个接收波束的实际增益向量分别计算得到所述第m个接收波束与所述第m+1个接收波束之间的和波束向量以及所述第m个接收波束与所述第m+1个接收波束之间的差波束向量表示第m个接收波束的实际增益向量,表示第m+1个接收波束的实际增益向量;

(6a-7)根据所述和波束向量∑m以及所述差波束向量Δm,得到和波束向量∑mm)及差波束向量Δmm),进而利用所述和波束向量∑mm)及所述差波束向量Δmm)计算得到所述第m个接收波束的角度测量查找向量rmm);

转至步骤(6a-8);

其中,θm≤Θm≤θm+1,θm表示第m个接收波束的中心指向,θm+1表示第m+1个接收波束的中心指向,Δmm)表示空域覆盖范围Θm内第m个接收波束与第m+1个接收波束之间的差波束向量的相应元素构成的向量,∑mm)表示空域覆盖范围Θm内第m个接收波束与第m+1个接收波束之间的和波束向量的相应元素构成的向量,第m个接收波束的角度测量查找向量rmm)=Δmm)./∑mm),./表示向量点除运算;

(6a-8)确定所述第m个接收波束的角度测量查找向量中的最大值maxm=max{rmm)}和所述第m个接收波束的角度测量查找向量中的最小值minm=min{rmm)}。

6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤6中,所述利用所述第m个接收波束的角度测量查找向量中的最大值maxm和最小值minm以及所述第m+1个接收波束的目标检测结果集合Dm+1,对所述第m个接收波束的目标检测结果集合Dm包含的Mm个目标点迹进行关联处理,并计算所述目标检测结果集合Dm经关联处理后各剩余点迹的角度测量值,得到所述第m个接收波束的含角度测量值的目标点迹集合具体包括以下子步骤:

(6b-1)对全部L个接收波束中的每个接收波束的目标检测结果集合进行扩充,为每个接收波数的目标检测结果集合中各目标点迹增加角度测量值及目标标志位,并将各目标点迹的角度测量值和目标标志位初始化为0;

(6b-2)对m′进行初始化,令m′=1;m′表示第m个接收波束的目标检测结果集合Dm的Mm个目标点迹中的第m′个目标点迹;

(6b-3)判断目标检测结果集合Dm+1中是否存在与目标检测结果集合Dm包含的第m′个目标点迹dm′具有相同距离和速度的目标点迹

若所述目标检测结果集合Dm+1中存在与所述目标点迹dm′具有相同距离和速度的目标点迹说明所述目标点迹dm′和所述目标点迹来自同一目标的后向散射,则判断所述MIMO雷达的发射波形:若所述MIMO雷达的发射波形为全相关波形,则转至步骤(6b-4);若所述MIMO雷达的发射波形为部分相关波形,则判断所述目标点迹dm′的目标标志位的取值:若所述目标点迹dm′的目标标志位fm′=2或者fm′=1,说明所述目标点迹dm′已与第m-1个接收波束相关联,则将所述目标点迹的目标标志位置为2,并舍弃所述目标检测结果集合Dm中的所述目标点迹dm′,转至步骤(6b-5);若所述目标点迹dm′的目标标志位fm′=0,说明所述目标点迹dm′是新出现的目标点迹,则将所述目标点迹的目标标志位置为1,转至步骤(6b-4);

若所述目标检测结果集合Dm+1中不存在与所述目标点迹dm′具有相同距离和速度的目标点迹说明检测到的所述目标点迹dm′为虚警结果,非目标检测结果,则判断所述MIMO雷达的发射波形:若所述MIMO雷达的发射波形为全相关波形,则舍弃所述目标检测结果集合Dm中的所述目标点迹dm′,转至步骤(6b-5);若所述MIMO雷达的发射波形为部分相关波形,则判断所述目标点迹dm′的目标标志位fm′的取值:若所述目标点迹dm′的目标标志位fm′=2或者fm′=1,说明所述目标点迹dm′已经与第m-1个接收波束相关联,则舍弃所述目标点迹dm′;若所述目标点迹dm′的目标标志位fm′=0,说明所述目标点迹dm′是新出现的目标点迹,并且由于所述目标点迹dm′存在于所述第m个接收波束内,因此将所述第m个接收波束的中心指向θm作为所述目标点迹dm′的角度测量值θm′,即令θm′=θm,并转至步骤(6b-5);

(6b-4)计算所述目标点迹dm′和所述目标点迹的和差比rm′,并判断所述和差比rm′是否在区间[minm,maxm]内:若所述和差比rm′在所述区间[minm,maxm]内,则利用所述第m个接收波束的角度测量查找向量rmm)以及所述和差比rm′,计算得到所述目标点迹dm′的角度测量值θm′;若所述和差比rm′不在所述区间[minm,maxm]内,则舍弃所述目标点迹dm′,并转至步骤(6b-5);

其中,和差比rm′的表达式为:gm′表示目标点迹dm′的强度,表示目标点迹的强度,maxm表示第m个接收波束的角度测量查找向量rmm)中的最大值,minm表示第m个接收波束的角度测量查找向量rmm)中的最小值;

(6b-5)令m′加1,返回步骤(6b-3),直至m′=Mm,得到经关联处理后目标检测结果集合Dm中各剩余点迹的角度测量值,经关联处理后目标检测结果集合Dm中的剩余点迹即构成所述第m个接收波束的含角度测量值的目标点迹集合

7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,步骤(6b-4)中,所述利用所述第m个接收波束的角度测量查找向量rmm)以及所述和差比rm′,计算得到所述目标点迹dm′的角度测量值θm′,具体可以包括:

利用所述和差比rm′分别减去所述第m个接收波束的角度测量查找向量rmm)中的每一项,得到所述目标点迹dm′的角度差值向量Δr;

确定所述目标点迹dm′的角度差值向量Δr中模值最小的元素所对应的索引indexm′,进而将所述角度测量查找向量rmm)中与所述索引indexm′相同位置的角度测量值确定所述目标点迹dm′的角度测量值θm′

8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤7中,所述根据所述MIMO雷达的发射波形,确定第L个接收波束的含角度测量值的目标点迹集合包括:

判断所述MIMO雷达的发射波形:

若所述MIMO雷达的发射波形为全相关波形,则令第L个接收波束的含角度测量值的目标点迹集合DL为空集;

若所述MIMO雷达的发射波形为部分相关波形,则判断所述第L个接收波束的检测结果集合DL是否为空集:若所述第L个接收波束的检测结果集合DL为空集,则令所述第L个接收波束的含角度测量值的目标点迹集合为空集;若所述第L个接收波束的检测结果集合DL不为空集,则执行以下步骤:

(7a)初始化:令p=1,p表示第L个接收波束的检测结果集合DL包含的ML个目标点迹中第p个目标点迹,p也表示迭代次数;

(7b)判断所述第L个接收波束的检测结果集合DL包含的ML个目标点迹中第p个目标点迹dp的标志位的取值:若或者说明所述目标点迹dp已经与第L-1个接收波束中的点迹相关联,则舍弃所述目标点迹dp;若fp=0,则将所述第L个接收波束的中心指向θL作为所述目标点迹dp的角度测量值θp,即令θp=θL

(7c)令p加1,重复步骤(6b),直至p=ML,得到所述第L个接收波束的检测结果集合DL中各剩余目标点迹的角度测量值,进而所述利用第L个接收波束的检测结果集合DL中的各剩余目标点迹构成所述第m个接收波束的含角度测量值的目标点迹集合

9.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤8具体包括以下子步骤:

(8a)对于所述目标点迹集合中的任一个目标点迹d,确定与所述目标点迹d对应的第一点迹集合中强度最大的目标点迹:若该强度最大的目标点迹是所述目标点迹d,则保留所述目标点迹d;若该强度最大的目标点迹不是所述目标点迹d,则舍弃所述目标点迹d;从而得到所述第l个接收波束对应的目标点迹集合其中,与所述目标点迹d对应的所述第一点迹集合为所述目标点迹d和其余L-1个接收波束的含角度测量值的目标点迹集合中与所述目标点迹d具有相同距离和速度的多个目标点迹组成的点迹集合;

(8b)根据所述MIMO雷达的发射波形,确定所述MIMO雷达系统接收波位的空域覆盖范围;

(8c)对于所述第l个接收波束对应的所述目标点迹集合中的任一目标点迹,判断其角度测量值是否在所述MIMO雷达系统接收波位的空域覆盖范围内:若不在,则舍弃该目标点迹;若在,则保留该目标点迹;从而得到所述第l个接收波束对应的目标点迹集合D′l

10.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤9中,所述利用所述L个目标点迹集合D′1,D′2,…,D′L进行点迹融合,得到一个相干处理时间内全部L个接收波束对应的目标点迹集合最终序列具体包括以下子步骤:

(9a)初始化:将j和n′的初始化为1,并将所述L个目标点迹集合D′1,D′2,…,D′L中各目标点迹集合中的所有目标点迹的目标标志位均重置为0;

(9b)判断目标点迹集合D′j是否为空集:若所述目标点迹集合D′j不为空集,则转至步骤(9c);若所述目标点迹集合D′j为空集,则转至步骤(9e);

(9c)判断所述目标点迹集合中的第n′个目标点迹dn′的目标标志位fn′是否等于2:若fn′等于2,则表明所述目标点迹dn′为多余目标点迹,因此舍弃所述目标点迹dn′,并转至步骤(9d);若fn′不等于2,则转至子步骤(9f);

(9d)令n′加1,返回步骤(9c),直至表示所述目标点迹集合中的目标点迹总数,即完成对所述目标点迹集合的目标点迹融合,得到第j个接收波束对应的角度测量值集合转至步骤(9e);

(9e)令j加1,返回步骤(9b),直至j=L-1,得到第1个至第L-1个接收波束对应的角度测量值集合转至步骤(9h);

(9f)确定第j+1个接收波束对应的目标点迹集合D′j+1中是否存在与所述目标点迹dn′满足预设关系的Nd个目标点迹若所述目标点迹集合D′j+1中存在与所述目标点迹dn′满足预设关系的Nd个目标点迹则保留所述目标点迹dn′,转至步骤(9g);若所述目标点迹集合D′j+1中不存在与所述目标点迹dn′满足预设关系的目标点迹,则进一步判断所述目标点迹dn′的目标标志位fn′是否等于1:若fn′等于1,则保留所述目标点迹dn′;若fn′不等于1,则舍弃所述目标点迹dn′,并返回步骤(9d);其中,Nd为整数,Nd≥1,所述预设关系包括:dn′(1)表示目标点迹dn′的距离,表示目标点迹的距离,dn′(2)表示目标点迹dn′的速度,表示目标点迹的速度,dn′(4)表示目标点迹dn′的角度测量值,表示目标点迹的角度测量值,δR表示预设的目标距离误差值,表示预设的目标速度误差值,δθ表示预设的目标角度测量误差值;

(9g)判断Nd是否等于1:若Nd=1,则将所述目标点迹集合D′j+1中的该目标点迹的目标标志位置为1,并返回至步骤(9d);若Nd≠1,则将所述Nd个目标点迹中强度最大的目标点迹的目标标志位置为1,其余Nd-1个目标点迹的目标标志位均置为2,返回至步骤(9d);

(9h)判断第L个接收波束对应的目标点迹集合是否为空集:

若所述目标点迹集合为空集,则利用第1个至第L-1个接收波束对应的角度测量值集合得到为一个相干处理时间内全部L个接收波束对应的目标点迹集合最终序列

若所述目标点迹集合不为空集,则对于所述目标点迹集合中的任一目标点迹,判断该目标点迹的目标标志位是否等于2:若该目标点迹的目标标志位等于2,则表明该目标点迹为多余点迹,因此舍弃该目标点迹;若该目标点迹的目标标志位不等于2,则保留该点迹;利用第1个至第L个接收波束对应的角度测量值集合得到为一个相干处理时间内全部L个接收波束对应的目标点迹集合最终序列

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