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专利号: 2024108613996
申请人: 三峡大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-05-07
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种任意阵列双基地MIMO雷达的DOD和DOA联合估计方法,其特征在于,包括以下步骤:

S1、构建包含智能反射面的任意阵列双基地MIMO雷达系统模型;

S2、利用步骤S1中雷达系统获得接收信号后,通过建立信号模型、定义方向矢量与通道矩阵,获得接收信号匹配滤波后的协方差矩阵;

S3、利用传播算子算法估计2D‑DOD角度;

S4、结合传播算子算法所得的2D‑DOD角度,获得2D‑DOA角度估计;

通过上述步骤完成任意阵列双基地MIMO雷达的DOD和DOA联合估计。

2.根据权利要求1所述的任意阵列双基地MIMO雷达的DOD和DOA联合估计方法,其特征在于,步骤S1中,构建了一个包含智能反射面的任意发射阵列和接收阵列的雷达系统模型,具体过程包括:设置发射阵列有M个阵元,接收阵列有N个阵元,且发射阵列和接收阵列为任意阵列,其中,发射阵列中第m个阵元的位置为:(xtm,ytm,ztm),接收阵列中第n个阵元的位置为:(xrn,yrn,zrn),发射天线发射具有相同带宽和中心频率的正交波形;

发射阵列和接收阵列中间还设有智能反射面,智能反射面由Y个智能反射单元组成。

3.根据权利要求2所述的任意阵列双基地MIMO雷达的DOD和DOA联合估计方法,其特征在于,步骤S2中,获得接收信号匹配滤波后的协方差矩阵,具体过程包括:第k个目标对于发射阵列和接收阵列的2D‑DOD和2D‑DOA分别表示为(θtk,φtk)和(θrk,φrk),接收端的输出可以表示为:X(τ)=[(GVAr)⊙At]S(τ)+N(τ)    (1)其中,⊙表示卡特里‑拉奥KhatriRao积, 为IRS与接收阵列之间的通道矩阵,其中, 表示IRS的反射响应;At=[at(θt1,φ t1),其中,θtk和φrk表示第k个目标2D‑DOD的仰角和方位角,其中,θrk,φrk表示第k个目标2D‑DOA的仰角和方位角,At和Ar分别是发射方向矩阵和接收方向矩阵,S(τ)=[S1(τ),S2(τ),…,SKT(τ)], 其中fk表示多普勒频率,βk表示振幅; 表示在瞬间λ时刻

2 2

的阵列噪声,它的协方差矩阵为σIMN,σ表示噪声功率;at(θtk,φtk)和ar(θrk,φrk)表示第k个接收和发射的方向矢量为:T

ar(θrk,φrk)=[exp(‑j2πpr1/λ),...,exp(‑j2πprN/λ)]     (2a)T

at(θtk,φtk)=[exp(‑j2πpt1/λ),…,exp(‑j2πpm/λ)]     (2b)(·)

其中,exp(·)表示指数函数中的e ,prn=xrnsinθrkcosφrk+yrnsinθrksinφrk+zrncosTθrk,n=1,2,...,N,ptm=xtmsinθtkcosφtk+ytmsinθtksinφtk+ztmcosθtk,m=1,2,...,M,(·)表示矩阵的转置;λ表示波长;

IRS与接收阵列之间的通道矩阵G表示为:其中,r0h表示IRS的第h个元素到接收阵列参考单元的距离,rnh为IRS第h个元素到接收阵列第n个元素的距离;

接收端的输出X简写为:

X=AS+N    (4)

其中,A表示发射矩阵, 为附加高斯白噪声矩阵,对于式中的信号模型,L个样本的协方差矩阵为:H

其中,(·) 表示矩阵的共轭转置。

4.根据权利要求3所述的任意阵列双基地MIMO雷达的DOD和DOA联合估计方法,其特征在于,步骤S3中,利用传播算子算法估计2D‑DOD角度,具体包括以下子步骤:S31、构造传播算子;

S32、利用传播算子算法估计发射角角度。

5.根据权利要求4所述的任意阵列双基地MIMO雷达的DOD和DOA联合估计方法,其特征在于,步骤S31中,构造传播算子,具体过程为:发射矩阵A可以分为两个部分,表示为:其中, 是一个非奇异矩阵, 是A0的线性变换得到表达式如下:As=PsA0      (7)其中, 是传播算子,Ps估计为:‑1 H

其中,Q是 的前K列,H是 的后MN‑K列,(·) 表示矩阵的逆,(·) 表示矩阵的共轭转置。

6.根据权利要求5所述的任意阵列双基地MIMO雷达的DOD和DOA联合估计方法,其特征在于,步骤S32中,利用传播算子算法估计发射角角度,具体过程为:定义矩阵P:

其中Ik是一个K×K的一个单位矩阵, 是传播算子 是一个列相互独立的矩阵;

将矩阵P划分为:

其中, 得到P2和P1之间的关系为:‑1

其中, 是一个非奇异矩阵,表示为发射矩阵A的前K行K列,(·) 表示矩阵的+

逆,对P1 P2进行特征分解得到,特征值构成的对角矩阵为 其中Φ1=diag(exp[j2π(mt1w21+nt1v21+lt1u21)/λ],…,exp[j2π(mtKw21+ntKv21+ltku21)/λ]),mtk=sinθtkcosφtk,ntk=sinθtksinφtk,ltk=cosθtk,w21=xt1‑xt2,v21=yt1‑yt2,u21=zt1‑zt2,Π是一个非奇异矩阵,取 的对角元素构造一个1×K的行向量g1,计算出 得到一个矩阵:

其中, 用ρk表示B的第k列和s=angle(ρk),angle表示计算相位角,s可以表示为:

其中, mtk=sinθtkcosφtk,nt,k=sinθtksinφtk,ltk=cosθtk;

利用最小二乘法原理来求解出 和

+

其中,(·) 表示矩阵的伪逆, 和 分别为mtk,ntk和ltk的估计值;

2D‑DOD的方位角和仰角估计可以表示为:其中, 表示为第k个目标对于发射阵列的2D‑DOD中的估计方位角, 表示为第k个目标对于发射阵列的2D‑DOD中的估计仰角。

7.根据权利要求6所述的任意阵列双基地MIMO雷达的DOD和DOA联合估计方法,其特征在于,步骤S4中,获得2D‑DOA角度估计,具体包括以下子步骤:S41、对2D‑DOA进行谱峰搜索估计出二维波达方向;

S42、通过2D‑DOD方向矩阵的每一组角度估计2D‑DOA角度。

8.根据权利要求7所述的任意阵列双基地MIMO雷达的DOD和DOA联合估计方法,其特征在于,步骤S41中,对2D‑DOA进行谱峰搜索估计出二维波达方向,具体过程为:对协方差矩阵进行分解,得到:

其中,Ds是由最大K个特征值组成的K×K的对角矩阵,Dn是由MN‑K个特征值组成的对角H

矩阵,Es是最大K个特征值对应的特征向量,En是其余特征值对应的特征向量,(.)表示矩阵的共轭转置;

列出2D‑DOA估计的谱函数表达式:其中,A=At⊙(GVAr),A表示为发射矩阵⊙表示卡特里‑拉奥KhatriRao积, 为IRS与接收阵列之间的通道矩阵, 其中, 表示IRS的反射响应,At的估计值 己经在2D‑DOD中得出,θrk,φrk表示第k个目标对于接收射阵列2D‑DOA的仰角和方位角。

9.根据权利要求8所述的任意阵列双基地MIMO雷达的DOD和DOA联合估计方法,其特征在于,步骤S42中,通过2D‑DOD方向矩阵的每一组角度估计2D‑DOA角度,具体过程为:通过求解步骤S41中2D‑DOA估计的谱函数表达式的最大值,得到接收角度的估计值,对在进行谱峰搜索的时候需要使用A,的估计值 中每一个角度单独带入,进行K次谱峰搜索得出估计值,得到第k个目标对于接收射阵列的2D‑DOA的估计仰角 和方位角 即为接收角的二维波达方向。