一种空频双宽带大规模阵列的目标距离速度方位联合估计方法

本发明属于目标估计技术，具体为一种空频双宽带大规模阵列的目标距离速度方位联合估计方法。

背景技术：

1、通信感知一体化(isac)旨在实现频谱和硬件资源的协同设计，已被公认为6g无线接入网络中有希望的应用的关键技术。大规模多输入多输出(mimo)是当前移动蜂窝网络中最重要的技术之一，可提供显著的多路复用增益和波束形成增益。结合大规模mimo提供的空间度自由度(dof)，通信感知一体化技术被设想为可以同时实现高性能无线传感和通信。

2、传统的通信系统是将信息传递给接收机，而目标感知的问题则是从回波信号观测中提取目标参数信息。为了在mimo-isac系统中实现目标感知，有些人提出了使用mimo雷达的主瓣来检测目标，而使用旁瓣将有用的信息传递给通信接收机。与先前关注mimo-isac波形设计不同，已经有人采用正交频分多址(ofdm)信号，这是一种常用的通信波形，用于目标感知。通过利用ofdm与移动网络的兼容性，开发了直接/间接感知方法来提取包括方位、距离和速度在内的目标参数。为了处理基于ofdm的mimo-isac系统的载波间干扰，有些人提出了一种基于迭代干扰消除的目标检测算法，以估计延迟多普勒角参数。有些人提出了一种用于毫米波mimo系统的联合目标搜索和通信信道估计方案，其中通过全向导频信号主动检测目标。尽管上述工作充分利用了大规模mimo-isac系统中增强的空间dof，但使用大天线阵列和宽信号带宽带来的一个挑战性问题是所谓的波束斜视。它在整个阵列孔径上引入了不可忽略的传播时间延迟。对于忽略波束斜视的常规参数估计器，这种现象将显著地恶化目标感测估计性能。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中的上述技术缺陷，本发明提出了一种空频双宽带大规模阵列的目标距离速度方位联合估计方法。

2、实现本发明目的的技术方案为：一种空频双宽带大规模阵列的目标距离速度方位联合估计方法，具体步骤为：

3、步骤1：对回波信号进行去除载波频率处理，得到处理后的回波信号；

4、步骤2：根据处理后的回波信号建立感知信道，并进行傅里叶变换，获得频域感测信道矩阵，根据频域感测信道矩阵确定第l个ofdm符号的第k个子载波的感知信道矩阵以及第k个子载波的第l个传输符号的回波信号；

5、步骤3：构造预编码信号结构；

6、步骤4：级联多个时隙的回波信号，建模成符合正则多元分解模型的三阶张量，并获得三阶张量因子矩阵；

7、步骤5：通过交替最小二乘法更新因子矩阵，利用估计的因子矩阵来估计目标参数。

8、优选地，第n个接收天线处，从q个目标反射回来的回波信号表示为：

9、

10、式中，是第m个发射天线的上变频信号，fc是载波；sm(t)是具有k0个子载波和带宽为fs的基带ofdm信号；是第q个目标的反射系数，rq代表第q个目标的距离，vq代表第q个目标的速度，θq表示第q个目标相对于天线阵列的方位角，c代表光速，m代表第m个发射天线，n代表第n个接收天线，d代表天线间距；

11、在接收机处，去除载波频率后的信号表示为：

12、

13、其中是第q个目标的复值反射系数；是往返时间延迟，是多普勒频移。

14、优选地，根据处理后的回波信号建立感知信道，并进行傅里叶变换，获得频域感测信道矩阵，根据频域感测信道矩阵确定第l个ofdm符号的第k个子载波的感知信道矩阵以及第k个子载波的第l个传输符号的回波信号的具体方法为：

15、步骤2.1：建立第n个接收天线和第m个发射天线的等效感知信道，所述等效感知信道具体为：

16、

17、其中，δ(·)是狄拉克函数，gn,m(t,τ)为线性时变滤波器；

18、步骤2.2：对感知信道进行傅里叶变换获得频域感测信道矩阵，所述频域感测信道矩阵具体为：

19、

20、其中a(θq,f)和b(θq,f)分别表示发射宽带阵列导向矢量和接收宽带阵列导向矢量，f为频率；vq代表第q个目标的多普勒频移，τq代表第q个目标的时延，l表示第l个ofdm符号。

21、步骤2.3：根据频域感测信道矩阵确定第l个ofdm符号的第k个子载波的感知信道矩阵，具体为：

22、

23、其中bk(θq)＝b(θq,f)∣f＝kδf，ak(θq)＝a(θq,f)∣f＝kδf分别表示发射宽带阵列导向矢量和接收宽带阵列导向矢量；δf表示为子载波间隔，tsym＝t+tcp，t表示有效ofdm符号的持续时间，tcp表示循环前缀；vq代表第q个目标的多普勒频移，τq代表第q个目标的时延；

24、在第k个子载波的第l个传输符号的回波信号具体为：

25、

26、其中是加性噪声向量。

27、优选地，宽带阵列导向矢量具体表示为：

28、

29、

30、其中载波波长

31、优选地，构造的预编码信号结构具体为：

32、xl,k＝qldk

33、式中，符号满足∣dk∣2＝1，预编码波束图，预编码波束图满足

34、

35、其中，整个时间帧被划分为g个组，每个组包含p个ofdm符号，使得pg＝l，l为。

36、优选地，级联多个时隙的回波信号，建模成符合正则多元分解模型的三阶张量，并获得三阶张量因子矩阵的具体步骤为：

37、预编码的波束图案在一个时隙内被更新p次，并且每帧被重复g次，对回波信号去除dk后，第k个子载波的第l个传输符号的回波信号yl,k表示为：

38、

39、其中ak(θq)＝a(θq,f)∣f＝kδf和bk(θq)＝b(θq,f)∣f＝kδf分别表示发射宽带阵列导向矢量和接收宽带阵列导向矢量，δf表示为子载波间隔；vq代表第q个目标的多普勒频移，ql代表预编码的波束图，τq代表第q个目标的时延，l表示第l个ofdm符号；tsym＝t+tcp，t表示有效ofdm符号的持续时间，tcp表示循环前缀；是对应的噪声；

40、假设多普勒效应引起的相位在连续p个ofdm符号内近似准静态，对于第g组，收集p个ofdm符号后，回波信号重新表示为：

41、

42、其中yk,g的维度为n×p，bk(θq)＝b(θq,f)∣f＝kδf和ak(θq)＝a(θq,f)∣f＝kδf分别表示接收宽带阵列导向矢量和发射宽带阵列导向矢量，δf表示为子载波间隔；vq代表第q个目标的多普勒频移，g代表时间框架的第g个分组，p代表ofdm符号的总数；tsym＝t+tcp，t表示有效ofdm符号的持续时间，tcp表示循环前缀；预编码波束图的维度为m×p，nk,g表示传播噪声和多普勒近似噪声，级联多个时隙的回波信号建模成符合正则多元分解模型的三阶张量

43、

44、其中中为相对于多普勒频移的等效转向矢量，vq代表第q个目标的多普勒频移，p代表ofdm符号的总数，tsym＝t+tcp，t表示有效ofdm符号的持续时间，tcp表示循环前缀，vq代表第q个目标的多普勒频移，p代表ofdm符号的总数，tsym＝t+tcp，t表示有效ofdm符号的持续时间，tcp表示循环前缀；其中ak(θq)＝a(θq,f)∣f＝kδf表示发射宽带阵列导向矢量，bk(θq)＝b(θq,f)∣f＝kδf表示接收宽带阵列导向矢量；在第k个子载波，张量的三个因子表示为：

45、

46、

47、

48、其中，bk(θq)＝b(θq,f)∣f＝kδf表示接收宽带阵列导向矢量，其中ak(θq)＝a(θq,f)∣f＝kδf表示发射宽带阵列导向矢量；中为相对于多普勒频移的等效转向矢量，vq代表第q个目标的多普勒频移。

49、优选地，通过交替最小二乘法更新因子矩阵，更新步骤如下

50、

51、

52、

53、其中是第i次迭代时更新的因子矩阵；分别对进行模式-1，模式-2和模式-3的矩阵化水平展开，得到y(1),k，y(2),k和y(3),k。；

54、收敛之后，估计因子矩阵为估计因子矩阵和实际因子矩阵满足关系

55、

56、

57、

58、其中，未知对角矩阵满足δ1δ2δ3＝iq，表示置换矩阵，e1,e2,e3表示张量因子分解的误差。

59、优选地，利用估计的因子矩阵估计目标参数具体包括：

60、目标的到达角度aoa由每列单独表征，通过相关性的方法进行估计，即

61、

62、其中是估计因子矩阵的第q列，bk(θ)＝b(θ,f)∣f＝kδf表示接收宽带阵列导向矢量，替代地估计为

63、

64、其中是估计因子矩阵的第q列，预编码波束图的维度为m×p，ak(θ)＝a(θ,f)∣f＝kδf表示发射宽带阵列导向矢量，为第q个目标的达到角；

65、通过估计多普勒频移进而对目标速度进行估计，具体为：

66、

67、其中是估计因子矩阵的第q列，为相对于多普勒频移的等效转向矢量；

68、步骤5.4：通过估计时延对目标距离进行估计：

69、多载波系数包含着估计目标的时延其中atd的第q列为系数的估计值为

70、

71、其中，和是分别通过估计参数和进行构造，y(3),k是模式3的展开，利用k个子载波系数的估计值，获得估计时延：

72、

73、其中是的第q行，

74、本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明所提出的基于张量的估计方法，以基于估计的因子矩阵来提提取角度、距离和速度在内的目标参数，与传统方法相比，所提方法在目标感知方面有更好的性能，并且克服了波束斜视带来的目标感测估计恶化的问题。

75、本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。