基于信道估計的MIMO雷達目標角度估計方法

張小云，曾建奎

（重慶科技學院，重慶 401331）

基于信道估計的MIMO雷達目標角度估計方法

張小云，曾建奎

（重慶科技學院，重慶 401331）

MIMO雷達是一種新體制雷達。它的信號傳輸矩陣包含了目標信息，如角度信息。首先建立了包含目標角度信息的MIMO雷達接收信號模型;然后根據MIMO雷達接收信號的統計特性，提出了新的MIMO雷達傳輸信道的估計方法，然后從傳輸矩陣中估計出目標角度信息;最后，通過仿真實驗驗證了本文方法的有效性。

MIMO雷達;信號處理;目標檢測

隨著MIMO在通信中應用的發展。MIMO技術越來越多地在雷達中得到應用［1］。在文獻［2］中，Fishler從信號檢測角度理論分析了MIMO雷達在信號檢測中的優勢。而Berkerman則在文獻［3］推導了MIMO雷達具有更多的虛擬單元，從而可以形成主瓣更窄、旁瓣更低的波束;在文獻［4］中，Fishler推導了在目標角度估計時MIMO的CRB下界，它比傳統雷達更有優勢。牛志軍［5］研究了MIMO天波超視距雷達正交信號設計。

關于MIMO雷達信號處理方法的研究很少，文獻［2－3］中提到的方法都是經典的匹配濾波器方法。在雷達探測中，信道傳輸矩陣已經包含了目標信息。因此，本文提出一種新的基于信道估計的方法來估計信道。通過對信道的分析，可以估計出目標的信息。在本文的初步結論中，估計了目標的角度信息。

1 信號模型

假設有M個收發天線，為分析方便，假設天線陣列的每個陣列單元間距半波長d=λ/2，天線構成均勻直線陣（ULA）。發射天線各陣元發射相互正交的信號向量為

式中:T表示矩陣轉置;N（1≤n≤N）為信號持續時間長度。

假設目標位于θ方向處。接收信號為

式中:αim表示第i個發射天線到第m個接收天線的信道傳輸系數，表征了雷達截面積（RCS），采用Swerling III模型，αim服從復高斯分布，αim～CN（0，1），并且信道傳輸系數間相互獨立。雷達目標的散射矩陣寫成

M個接收天線信號寫成矩陣形式為

式中:W（n）為高斯白噪聲。

2 信道估計方法及目標參數估計

對接收信號Y（n）求協方差矩陣，即

式中:第2項和第3項為0。在雷達中可以預先測出噪聲的協方差矩陣而獲得式（6）的第4項。式（6）變成

式中:B為噪聲的協方差矩陣，B=E（W·WH）。

在MIMO雷達中，可以設計使得發射信號相互正交，即S·SH=I。常用的正交序列有Hadamard序列、Gold序列等。本文中，采用Hadamard序列。并考慮陣列響應矢量a的形式，式（7）化簡為

在MIMO雷達傳輸矩陣中，傳輸系數αim間相互獨立，有

所以有

式（8）變成

從而，可以估計出

估計出矩陣A后，構造目標函數

通過搜尋使f（θ）最小的θ來估計目標方向角，即

3 仿真實驗

通過仿真實驗來驗證本文方法的有效性。每組實驗進行5 000次Monte－Carlo實驗。在仿真實驗1中，假設目標的方向θ=20°，接收和發射天線單元數M=4，接收信號采樣長度N=4。發射信號采用長度為4的Hadamard序列。假設接收信號的噪聲為高斯白噪聲，信噪比為10 dB。圖1中畫出了f（θ）=‖a（θ）·a（θ）H－A‖2隨角度變化的情況，圖中橫軸為角度，縱軸為f（θ）經過歸一化的值。由圖1的結果可知，根據f（θ）的最小值可以估計出目標角度。在本次實驗中，目標函數f（θ）的最小值對應θ=20°。

在仿真實驗2中，分析測量了角度誤差與天線數目以及信噪比之間的關系。首先，定義估計角度的均方根誤差為

圖1 f（θ）的變化情況

式中:θ為目標的真實角度;θ^為目標的估計角度。在實驗2中，同樣設定目標方向θ=20o，信噪比為0～10 dB改變，分別取發射天線數為M=4和M=8，接收信號采樣長度N=4。圖2為仿真的結果，比較了收發天線數目對角度估計性能的影響。圖2中橫軸為信噪比，縱軸為估計角度的均方根誤差，兩條曲線分別為天線數目為4和8的測量結果。從實驗可以看出，隨著信噪比的增加，目標角度的估計精度提高。另外，在相同的信噪比條件下，天線數目越大，目標角度的估計精度越高。

圖2 估計角度的均方根誤差

4 總結

本文提出了一種新的基于信道估計方法來估計目標的角度信息，并通過仿真實驗驗證了其可行性。實際上，目標的其他信息（如速度信息）也可以從傳輸矩陣中估計出來。進一步的研究可以完善接收信號模型，把更多目標信息包括進來;另外可以進行優化發射信號，區分多目標并進行算法優化，減少計算量，提高估計精度。

:

［1］何子述.MIMO雷達概念及其技術特點分析［J］.電子學報，2005，33（12）:2441－2445.

［2］FISHLER E.Spatial diversity in radars—models and detection performance［J］.IEEE Trans.Signal Processing，2006，54（3）:823－838.

［3］BEKKERMAN I，TABRIKIAN J.Target detection and localization using MIMO radars and sonars［J］.IEEE Trans.Signal Processing，2006，54（10）:3873－3883.

［4］FISHLER E，HAIMOVICH A，BLUM，R，et al.MIMO radar:an idea whose time has come［C］//Proc.the IEEE Radar Conference.Philadelphia，PA:IEEE Press，2004:71－78.

［5］牛志軍，裴炳南，陳潔，等.MIMO天波超視距雷達正交信號設計研究［J］.電視技術，2012，36（1）:98－100.

New DOA Estimation Method of MIMO Radar Based on Channel Estimation

ZHANG Xiaoyun，ZENG Jiankui

（Chongqing University of Science and Technology，Chongqing 401331，China）

Multiple input multiple output（MIMO）radar is a new radar technique.The target information，such as target angle is included in the signal transmitting matrix.In this paper，the signal model for MIMO radar is analyzed.And a new method to estimate the angle from the matrix is described.At last，the efficiency of this method is verified by some simulations.

MIMO radar;signal processing;target detection

TN92

A

【本文獻信息】張小云，曾建奎.基于信道估計的MIMO雷達目標角度估計方法［J］.電視技術，2013，37（3）.

重慶科技學院博士教授啟動基金項目（CK2010B04）

責任編輯:薛 京

2012－06－19