测量目标高度的双基地MIMO雷达虚拟阵元技术

M
图 1 双基地 M IM O 雷达示意图
假设 M 个发射阵元发射相互正交的信号{ sm ( t) } m =1 , 即发射信号满足
∫
s
T
0
sk ( t) sl ( t -τ )dt =
＊
1 , k = l , τ= 0 , 0 , 其他 ,
( 1)
＊ 式中 T s 表示发射信号宽度 , ( · ) 表示取共轭 . 则照射到目标的信号可以写成
at ( α , β) s( t) ,
T T tx T ty T
T
( 2)
其中( · ) 表示 矩阵 或向 量转置 ; a t( α , β) =[ a ( α ) , a ( β) ] 表 示发 射阵 列 导向 矢量 ; at x ( α )= [ 1, e xp( jπ co s α ) , … , exp( j( M x -1) π cos α ) ] T , 表示 X 轴上发射阵列导向矢量 ; Y 轴上发射阵列的导向矢量为 at y ( β )= [ 1 , exp( jπcos β) , … , ex p( j My π co s β ) ]T; s( t)= [ s1( t) , s2 ( t) , …, sM( t) ] T , 表示所有阵元的发 射信号构成的发射信号向量 , 其顺序与导向矢量中的发射阵元顺序相对应 . 忽略脉冲内的多普勒频率变化 , 则接收阵列的接收信号向量可以写成 x l( t)=ξ ar ( γ ) at ( α , β) s( t)exp( j2πf d l)+nl ( t) ,
2010 年 8 月 第 37 卷 第4期
西安电子科技大学学报( 自然科学版) JOUR NAL OF XIDI AN UNIV ER SI TY
A ug . 2010 V ol . 37 N o . 4
doi : 10 . 3969/ j. issn . 1001 -2400 . 2010 . 04 . 016
Target altitude measurement of bistatic MIMO radar using the virtual elements technique
J I N Ming , L I J un , L I AO Guisheng , L I Wei-ping
( K ey Lab . of Radar Sig nal Pr ocessing , Xidian Univ . , Xi an 710071 , China) Abstract: A tar get a ltitude measur ement me thod using the v ir tua l elements technique of bistatic multiple -input multiple -o utput (M IM O ) radars is propo sed . T he metho d carries out altitude mea surement by estimating the ang les o f targ ets w ith respect to the transmitting and r eceiv ing ar ray s . Different fro m the co nv entional altitude mea surement method of bistatic rada rs , the pro po sed method requires neither time sy nchro niza tion no r communicatio n be tw een tr ansmitting and receiving ends . Hence , the pro po sal simplifies the config uratio n o f the sy stem .In addition , the ang les can be paired auto matically when multiple tar gets ex ist , and then targe t g ho sts are avoided . Finally , compute r simulatio ns validate the pr oposed method . Key Words : multiple -input multiple -output radar ; bistatic radar ; altitude measurement ; vir tual elements technique
P
x l( t)=
i =1
∑
ξ i a r( γ i) at ( α s( t) exp( j2πf di l) +nl ( t) , i , βi )
T
( 4)
式中的下标 i 表示目标序号 . 对接收信号进行脉压( 即分离各发射阵元的回波信号) 后的信号为
第 4 期 金 明等 : 测量 目标高度的双基地 M IM O 雷达虚拟阵元技术
1/ 2 L =( x + y ) . 笔者通过在接收机端测量目标的角度 α , β 和 γ来估 2 2
计目标的高度 H ( 即图中 Z 轴坐标) . 假设发射端在 X 轴和Y 轴上的阵 元数分别为 M x 和 M y , 是等距线阵 , 令 M = Mx + My . 接收端为 N 阵 元的等距线阵 . 为简单起见 , 假设所有线阵相邻阵元间距为半波长 .
T 2 T
( 3)
其中 , ar ( γ )=[ 1 , exp( jπsi n γ ) , … , ex p( j( N -1) π sin γ ) ] , 表示接收阵列导向矢量 ; ξ 表示目标反射信 号复幅度 ; nl ( t)表示接收机白噪声 , 假设各阵元噪声互不相关且功率均为 σ f d , 表示目标多普勒频率 ; l n ; 表示慢时间序号 , 即脉冲数序号 . 在同一距离环上有 P 个目标的情况下 , 接收信号可以表示为( 这里假设噪 声和信号不相关)
对非合作目标的高度进行测量具有重要的军事应用价值[ 1] . 众所周知 , 在雷达中目标的高度是一个导出 量而不是直接测量出来的值[ 1] . 单基地雷达从目标的距离和仰角坐标测量值推导出目标的高度 . 双基地雷达 具有较好的“ 四抗” 能力和反侦察能力 , 已经引起了人们的关注[ 2] . 传统的双基地雷达能够通过测量目标相对 于接收机和发射机的角度以及发射机-目标-接收机的距离和来计算目标的高度 , 但是这些方法需要时间和 波束同步 . 通过时间同步 , 可以获得发射机-目标-接收机的距离和 . 通过波束同步 , 可以使接收机和发射机波 束同时覆盖目标所在的区域 . 另外 , 由于传统的双基地雷达要在发射端和接收端分别测量目标相对于发射机 和接收机的角度 , 这就需要额外的通信设备传送这些测量值 . 多输入多输出( Mult iple-Input M ultiple-Output , 缩写 MIM O) 雷达是近几年提出的雷达新概念
[ 11]
.
1 系统布阵和信号模型
双基地 MIM O 雷达的发射端和接收端处于同一水平面 ( XOY ) 上. 发射端处于坐标原点 , 由与 X 轴和 Y 轴重合的两个线阵组成 . 假设所有发射阵元只向 X 轴大于 0 的区域以宽波束发射正交信号 , 即发射阵元具有 一定的方向性 . 文献[ 6-7] 已经证明 , 虽然宽波束发射使得发射信号能量分散 , 但是宽波束发射可以增加目 标照射时间 , 最后接收到的目标信号能量是没有损失的 . 假设接收端放于一个移动平台上 , 由一个垂直的线 阵构成 . 平台的坐标为( x , y) , 并且接收端通过其他手段( 比如导航卫星等 ) 获得这个坐标 , 也就是说平台坐 标对接收端来说是已知的 . 当存在一个目标时系统参数( 包括布阵结 构) 如图 1 所示 . 目标相对于发射阵 X 轴向阵列的锥角为 α , 相对于发 射阵 Y 轴向阵列的锥角为 β ; 目标相对于接收阵的侧面角为 γ . 发射阵 和接收阵的距离( 基线) 为L. 由于发射端处于坐标原点不动 , 所以有
测量目标高度的双基地 MIMO
( 西安电子科技大学 雷达信号处理重点实验室 , 陕西 西安 710071) 摘要 :提 出了一种通过双基地多输入多输出雷达虚拟阵 元技术 进行目标 高度测 量的方 法 . 该 方法在 接 收端估计 目标相对于发射阵列和接收阵列的角度 , 然后利用获 得的角度进行目标高度测量 . 与传统 的双 基地雷达 测高方法不同 , 该方法既不需要发射端和接收端之间 的时间同步 , 也不需要在收 发两端之 间传 输数据 , 从而简化了系统的配置 . 另外 , 在多目标情况 下 , 该方法 估计的角 度能够 自动配 对 , 从 而避免 了 目标模糊 . 关键词 :多输入多输出雷达 ; 双基地雷达 ;高度测量 ; 虚拟阵元技术 中图分类号 : T N911 . 7 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 -2400( 2010) 04-0671-05
[ 3-9]
. 文
献[ 4-5] 分析了双基地雷达目标定位性能 , 利用各发射阵元发射相互正交的信号 , 在接收端通过匹配滤波的 方法分离各发射信号的目标回波 , MIMO 雷达能够提高目标角度估计性能 , 获得孔径扩展等优点[ 6-8] . 文献
收稿日期 : 2009-06 -01 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目( 60736009 , 60825104) ; 广西信息与通讯技术重点实验室资助项目 作者简介 : 金 明( 1981 -) , 男 , 西安电子科技大学博士研究生 , E - mai l : mi ngjin141 @gmail . com .
西 安电子科技大学学报( 自然科学版) 第 37 卷 672
[ 9-10] 提出了不同准则下的发射信号设计方法 . 笔者提出了一种利用双基地 M IM O 雷达虚拟阵元技术进行目标高度测量的方法 . 该方法在接收端同时 估计目标相对于发射机和接收机的角度 , 然后利用这些角度推导出目标的高度 . 与传统的双基地雷达相比 , 笔者所提方法具有以下的特点 : ( 1)所有角度是在接收端估计的 , 所以不需要接收机和发射机之间的额外 通信 ; ( 2)不需要估计发射机-目标-接收机的距离和 , 所以不需要时间同步 ; ( 3)同一距离单元存在多个目 标时 , 所有估计的角度能够自动配对 , 从而可以避免目标出现模糊 . 在这种情况下 , 传统的双基地雷达由于在 双基地分别测量目标角度 , 所以需要额外的角度配对处理 , 如果处理不当 , 则会出现错误估计或者目标模糊 ; ( 4)由于在接收机端能够估计出目标相对于发射机的参数 , 所以该体制雷达系统适用于发射机平台位置固 定、 接收机平台移动的情况 . 由于移动平台大小的限制 , 笔者所提雷达体制的载波采用微波波段