一種統(tǒng)計mimo雷達多目標檢測仿真方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種統(tǒng)計MIMO雷達多目標檢測仿真方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟1、構(gòu)建MIMO雷達模型；步驟2、利用功率譜密度求解MIMO雷達的特征值和特征向量；步驟3、基于信號和噪聲特征值大小差異，進行多目標迭代檢測仿真。本發(fā)明針對不完全分集信道情況下，提出MIMO雷達多目標檢測性能算法，解決了在真實的信道環(huán)境中，由于各種干擾存在以及復(fù)雜的電磁環(huán)境下，可能出現(xiàn)信道部分相關(guān)，提出了符合實際信道環(huán)境下的MIMO雷達多目標檢測方法。本發(fā)明可以模擬真實任意信道環(huán)境，無論是完全分集還是不完全分集情況，用于MIMO雷達多目標檢測。
【專利說明】
一種統(tǒng)計MI MO雷達多目標檢測仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種統(tǒng)計MBTO雷達多目標檢測仿真方法。
【背景技術(shù)】
[0002] ]\nMO(Multiple-Input Multiple-Output:多輸入多輸出技術(shù)）是指利用多發(fā)射和 多接收天線，將通信鏈路分解成為許多并行的子信道，通過多路空間信道的復(fù)用和分集技 術(shù)，從而大大提高系統(tǒng)容量和降低誤碼率。
[0003] MIMO技術(shù)已經(jīng)成為無線通信領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過近幾年的持續(xù)發(fā)展，MMO 技術(shù)將越來越多地應(yīng)用于各種無線通信系統(tǒng)。中外學者在MBTO無線通信技術(shù)的啟發(fā)下，針 對現(xiàn)代雷達系統(tǒng)高性能的要求，提出了 MMO雷達新體系。MMO雷達定義為多天線協(xié)作發(fā)射 多重信號，并使用多接收天線聯(lián)合進行目標檢測與參數(shù)估計的雷達系統(tǒng)。目標檢測要求對 由信號、噪聲和其他干擾信號組成的接收機輸出進行處理，使得以規(guī)定的高概率輸出所希 望得到的信號，而以低概率輸出噪聲和其他干擾信號的隨機虛警。
[0004] 在真實的信道環(huán)境中，由于各種干擾存在以及復(fù)雜的電磁環(huán)境下，可能出現(xiàn)信道 部分相關(guān)的情況，故常規(guī)檢測算法中，MHTO雷達利用多個陣列同時發(fā)射可區(qū)分的信號，利用 單目標雷達截面積的閃爍特性引入?yún)?shù)上有差異的目標觀測通道，基于NP準則獲得檢測和 估計增益，提高雷達對各種空間目標和隱身目標檢測、識別和參數(shù)估計的性能。但常規(guī)檢測 算法需要計算多維高斯協(xié)方差矩陣的行列式、逆矩陣、特征值和特征向量，計算復(fù)雜度過 高，而且不適用多目標的檢測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對上述問題，本發(fā)明提供一種統(tǒng)計MIMO雷達多目標檢測仿真方法，首先利用功 率譜密度來求解特征值和特征向量，然后基于特征門限理論進行多目標檢測，針對真實信 道中可能存在的情況，提出了符合實際信道環(huán)境下的MMO雷達多目標檢測方法。
[0006] 為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，達到上述技術(shù)效果，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0007] -種統(tǒng)計MBTO雷達多目標檢測仿真方法，其特征在于，包括如下步驟：
[0008] 步驟1、構(gòu)建MBTO雷達模型；
[0009] 步驟2、利用功率譜密度求解MMO雷達的特征值和特征向量；
[0010] 步驟3、基于信號和噪聲特征值大小差異，進行多目標迭代檢測仿真。
[0011] 優(yōu)選，假設(shè)MMO雷達模型由M個發(fā)射天線、N個接收天線組成，則第j個接收天線接 收的信號yj表不為：
[0012]
[0013]式中，X1表示第i個發(fā)射天線所發(fā)射的信號，表示第j個接收天線上的總噪聲，hu 表示通道增益，j = ^發(fā)射功率歸一化因子；
[0014] 假設(shè)發(fā)射信號正交，接收端進行匹配濾波并轉(zhuǎn)換成矩陣Y，則：
[0015]
[0016] 式中，Y=[yj]MNX1，H=[hij]MN，n=[nj]MNxi〇
[0017] 優(yōu)選，利用功率譜密度求解特征值\和特征向量U1的方法如下：
[0018]
[0019] ⑵
[0020]式中，fi = i/L，i=0，l，'"，L_l，Pyy〇是功率譜密度函數(shù)，L是樣本個數(shù);exp是以自 然常數(shù)e為底的指數(shù)函數(shù)。
[0021] 優(yōu)選當目標觀測通道完全獨立時，當Rr =(1/Μ>ΙΛ?ν ,，則共有MN個獨立的目 標觀測通道，有MN個相等的特征
[0022] 當目標觀測通道不完全獨立時又分為完全相關(guān)和部分相關(guān)兩部分：
[0023] 若目標觀測通道完全相關(guān)，當Kt = G / Λ?)ΙΛ?ν + d、，則共有MN個特征值，其中一個 特征值為為=W+ <:，其余特征值為4 ;
[0024]若目標觀測通道部分相關(guān)，則假設(shè)接收信號表示為y=n+j γ，求得：
[0025]
[0026] 通過構(gòu)建I AImn-Ry I =〇特征方程依次求得參數(shù)λ，對應(yīng)為特征值A(chǔ)1，…，λΜΝ;
[0027] 式中，Ry是接收?目號協(xié)方差矩陣，Imn是麗維單位矩陣，是噪聲方差，rI和y是接收 信號的實部和虛部隨機矢量，EU是求解數(shù)學期望值。
[0028] 優(yōu)選，基于信號和噪聲特征值大小差異估計目標個數(shù)，設(shè)存在k個目標，假設(shè)噪聲 特征值多樣性為q，則信號的最小特征值A(chǔ)K = AM_q應(yīng)超過所設(shè)定的檢測門限，而Ν-k個噪聲的 特征值A(chǔ)k+1，…，λ Μ應(yīng)低于檢測門限，檢測流程如下：
[0029] 步驟a、首先從q = l開始確定二元假設(shè)如下：
[0030] Ho = k<N-q
[0031] Hi = k = N-q
[0032] 步驟b、利用信號特征值大于噪聲方差特征值，構(gòu)建基于特征值門限的循環(huán)表達式 為：
[0033]
[0034]式中，為噪聲特征值的上界，Ho表示目標不存在，出表示目標存在;將求解的特 征值A(chǔ)1排序代入循環(huán)表達式，其中，若M小于XuN-q，則滿足Ho,則令q = q+l返回步驟a繼續(xù)檢 驗直至滿足Hi或者q=M;若λκ滿足Hi，即AK>A uN-q，則停止檢驗，此時檢測到的目標數(shù)目k = N_ q〇
[0035]本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明針對不完全分集信道情況下，提出MMO雷達多目標 檢測性能算法，解決了在真實的信道環(huán)境中，由于各種干擾存在以及復(fù)雜的電磁環(huán)境下，可 能出現(xiàn)信道部分相關(guān)，提出了符合實際信道環(huán)境下的MMO雷達多目標檢測方法。本發(fā)明可 以模擬真實任意信道環(huán)境，無論是完全分集還是不完全分集情況，用于MMO雷達多目標檢 測 。
【附圖說明】
[0036]圖1是本發(fā)明一種統(tǒng)計MBTO雷達多目標檢測仿真方法的流程圖；
[0037]圖2是本發(fā)明MBTO雷達模型的示意圖；
[0038]圖3本發(fā)明中MBTO雷達單目標檢測曲線；
[0039]圖4本發(fā)明中MBTO雷達雙目標檢測曲線。
【具體實施方式】
[0040]下面結(jié)合附圖和具體的實施例對本發(fā)明技術(shù)方案作進一步的詳細描述，以使本領(lǐng) 域的技術(shù)人員可以更好的理解本發(fā)明并能予以實施，但所舉實施例不作為對本發(fā)明的限 定。
[0041] -種統(tǒng)計MBTO雷達多目標檢測仿真方法，包括如下步驟：
[0042] 步驟1、構(gòu)建MBTO雷達模型；
[0043] 步驟2、利用功率譜密度求解MMO雷達的特征值和特征向量；
[0044] 步驟3、基于信號和噪聲特征值大小差異，進行多目標迭代檢測仿真。
[0045] 在實際仿真過程中，在完全分集信道情況下和在部分相關(guān)信道情況下，檢測器的 信噪比計算都要求計算多維高斯協(xié)方差矩陣的行列式、逆矩陣、特征值和特征向量，需要耗 費大量的資源。
[0046] 而本發(fā)明中，若向量Y1xl是源于零均值廣義平穩(wěn)高斯隨機過程的隨機矢量，當樣本 個數(shù)L-〇〇時，接收信號協(xié)方差矩陣Ry的特征值A(chǔ) i和特征向量Ui可以利用功率譜密度來求 解，并且考慮到復(fù)雜的信道傳輸環(huán)境，首先利用功率譜函數(shù)推導(dǎo)出特征值和特征函數(shù)，然后 借助門限定理給出M頂0雷達多目標檢測的統(tǒng)一仿真方法。下面結(jié)合圖1進行詳細的介紹。
[0047] 如圖2所示，假設(shè)MMO雷達模型由M個發(fā)射天線、N個接收天線組成，則第j個接收天 線接收的信號w弄示為，
[0048]
[0049] 式中，X1表示第i個發(fā)射天線所發(fā)射的信號，如表示第j個接收天線上的總噪聲，Iuj 表示通道增益，j = 1，…
％發(fā)射功率歸一化因子；
[0050] 假設(shè)發(fā)射信號正交，接收端進行匹配濾波并轉(zhuǎn)換成矩陣Y，則：
[0051
[0052」 式干，Y = Lyj」MNX1，H=[hij]MN，n=[nj]MNxi〇
[0053] 利用功率譜密度求解特征值M和特征向量Ul的方法如下：
[0054] Ai = Pyy(fi) (1)
[0055]
⑵
[0056] 式中，fi = i/L，i=0，l，'"，L_l，Pyy〇是功率譜密度函數(shù)，L是樣本個數(shù);exp是以自 然常數(shù)e為底的指數(shù)函數(shù)。
[0057]得到特征值后信號處理的全過程如下：
[0058] 完全分集下特征值分布情況:當目標觀測通道完全獨立時，當Ri. = (IZM)Iuv ， 即MIMO雷達完全滿足分集條件，則共有MN個獨立的目標觀測通道，有MN個相等的特征值 為=丄+ σ..:。
[0059] 當目標觀測通道不完全獨立時又分為完全相關(guān)和部分相關(guān)兩部分：
[0060] 完全相關(guān)下特征值分布情況：當Rr =(1/Μ)?,1?ν + 〇·χν，貝拱有MN個特征值，其中一 個特征值為4 =# + <，其余特征值為4 = σ,?。
[0061 ]信道部分相關(guān)情況下特征值分布情況：
[0062] 不完全分集信道情況下，根據(jù)通道矩陣矢量均為復(fù)高斯過程，假設(shè)接收信號表示 為y=n+i γ，龍得：
[0063]
[0064] 通過構(gòu)建I AImn-Ry I =〇特征方程依次求得參數(shù)λ，對應(yīng)為特征值A(chǔ)1，…，λΜΝ;
[0065]式中，Ry是接收?目號協(xié)方差矩陣，Imn是MN維單位矩陣，是噪聲方差，η和γ是接收 信號的實部和虛部隨機矢量，EU是求解數(shù)學期望值。
[0066]在部分相關(guān)信道情況下，此時各觀測角度不再獨立，Ry產(chǎn)生信號降維，其空間維數(shù) 介于1和MN之間，其特征值可能互不相等，也可能存在部分相同。
[0067] 本文算法檢驗的是噪聲特征值的多樣性，設(shè)存在k個目標，假設(shè)噪聲特征值多樣性 為q，則信號的最小特征值λκ = λ"ι應(yīng)超過所設(shè)定的檢測門限，而Ν-k個噪聲的特征值 Ak+1，…，λΜ應(yīng)低于檢測門限，檢測流程如下：
[0068] 步驟a、首先從q = l開始確定二元假設(shè)如下：
[0069] Ho = k<N-q
[0070] Hi = k = N-q
[0071] 步驟b、利用信號特征值大于噪聲方差特征值，構(gòu)建基于特征值門限的循環(huán)表達式 為：
[0072]
[0073]式中，AuN-q為噪聲特征值的上界，Ho表示目標不存在，出表示目標存在;將求解的特 征值A(chǔ)1排序代入循環(huán)表達式，其中，若M小于XuN-q，則滿足Ho,則令q = q+l返回步驟a繼續(xù)檢 驗直至滿足Hi或者q=M;若λκ滿足Hi，即AK>A uN-q，則停止檢驗，此時檢測到的目標數(shù)目k = N_ q〇
[0074]任意信道情況下，在分析特征值基礎(chǔ)上，根據(jù)門限定理，得到統(tǒng)一目標檢測表達 式：
[0075] 表達式含義為：從q= I，將求解的特征值11排序代入循環(huán)表達式，其中，若A1小于 A1Vq，則滿足Ho,則令q = q+l返回步驟a繼續(xù)檢驗直至滿足H1或者q = M;若λκ滿足H1，即λκ> AVq，則停止檢驗，此時檢測到的目標數(shù)目k = N_q。
[0076] 圖3是本發(fā)明中的0°單目標檢測曲線，仿真所用的統(tǒng)計MBTO雷達系數(shù)為:M=2，N = 4。圖4是本發(fā)明中0°、15°雙目標檢測曲線，仿真所用的統(tǒng)計M頂0雷達系數(shù)為:M=2，N=4。
[0077] 從圖3和圖4中可以看到，本文中提出的檢測方法在單目標和雙目標檢測上都滿足 檢測性能曲線Pd vs SNR變化趨勢，即滿足單目標乃至多目標下目標檢測應(yīng)用，可以用于多 目標檢測。在低信噪比情況下，各信道之間的相關(guān)性越強其檢測性能越好，MIMO雷達的檢測 性能隨著觀測通道相關(guān)性的增強而改善，這一點容易理解，在低信噪比條件下，相干處理增 益要高于空間分集對檢測性能的影響，在高信噪比情況下，信道之間的相關(guān)性會引起一定 的檢測性能損失，M頂0雷達的檢測性能優(yōu)于相控陣雷達，通道之間的相關(guān)性越小，MIMO雷達 的檢測性能越好，隨著相關(guān)性的增強，檢測性能會隨之下降。改變發(fā)射、接收陣元數(shù)目，上述 結(jié)論仍然成立，此時性能檢測曲線隨著發(fā)射、接收陣元數(shù)目稍微變化。
[0078]本專利在多目標散射模型的基礎(chǔ)上，建立了回波信號的模型并分析了Mnro雷達滿 足空間分集工作的條件，針對傳統(tǒng)檢測算法需要計算多維高斯協(xié)方差矩陣的行列式、逆矩 陣、特征值和特征向量，本發(fā)明提出了大數(shù)據(jù)情境下利用功率譜密度函數(shù)仿真計算的MIMO 雷達不同信道環(huán)境下的特征值和特征向量，在特征值的基礎(chǔ)上，利用噪聲特征值的多樣性 估計目標個數(shù)，從而實現(xiàn)MMO雷達多目標檢測的統(tǒng)一算法。
[0079] 解決了在真實的信道環(huán)境中，由于各種干擾存在以及復(fù)雜的電磁環(huán)境下，可能出 現(xiàn)信道部分相關(guān)，提出了符合實際信道環(huán)境下的MMO雷達多目標檢測方法。本發(fā)明可以模 擬真實任意信道環(huán)境，無論是完全分集還是不完全分集情況，用于M頂0雷達多目標檢測。
[0080] 以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā) 明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或者等效流程變換，或者直接或間接運用在其他相關(guān) 的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種統(tǒng)計ΜΙΜΟ雷達多目標檢測仿真方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟1、構(gòu)建ΜΙΜΟ雷達模型； 步驟2、利用功率譜密度求解ΜΙΜΟ雷達的特征值和特征向量； 步驟3、基于信號和噪聲特征值大小差異，進行多目標迭代檢測仿真。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種統(tǒng)計ΜΙΜΟ雷達多目標檢測仿真方法，其特征在于，假設(shè) ΜΙΜΟ雷達模型由Μ個發(fā)射天線、Ν個接收天線組成，則第j個接收天線接收的信號yj表示為：式中，X康示第i個發(fā)射天線所發(fā)射的信號，η徒示第j個接收天線上的總噪聲，hi康示 通道增益，j = 1，…，N，tpl為發(fā)射功率歸一化因子； V Μ 假設(shè)發(fā)射信號正交，接收端進行匹配濾波并轉(zhuǎn)換成矩陣Υ，則：式中，Υ二[yj ]ΜΝΧ1 ,Η二比ij]MN,n二[nj ]ΜΝΧ1。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種統(tǒng)計ΜΙΜΟ雷達多目標檢測仿真方法，其特征在于，利用功 率譜密度求解特征值λι和特征向量m的方法如下： Ai=Pyy(fi) (1)式中，fi = i/L，i = 0，l，…，L-l，Pyy()是功率譜密度函數(shù)，L是樣本個數(shù);e邱是W自然常 數(shù)e為底的指數(shù)函數(shù)。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種統(tǒng)計ΜΙΜΟ雷達多目標檢測仿真方法，其特征在于： 當目標觀測通道完全獨立時，當Ri- = (1/始)1,。, +詩，則共有ΜΝ個獨立的目標觀測通 道，有MN個相等的特征值4 =·^ +的; Μ 當目標觀測通道不完全獨立時又分為完全相關(guān)和部分相關(guān)兩部分： 若目標觀測通道完全相關(guān)，當R,- = (1 / +巧，則共有麗個特征值，其中一個特征 值為4 = W + σ,:，其余特征值為Λ = 若目標觀測通道部分相關(guān)，則假設(shè)接收信號表示為y=n+j 丫，求得：通過構(gòu)建I λ?ΜΝ-Κγ I = 0特征方程依次求得參數(shù)λ，對應(yīng)為特征值λι，…，λΜΝ; 式中，Ry是接收信號協(xié)方差矩陣，Ιμν是ΜΝ維單位矩陣，的是噪聲方差，η和丫是接收信號 的實部和虛部隨機矢量，ΕΠ 是求解數(shù)學期望。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種統(tǒng)計ΜΙΜΟ雷達多目標檢測仿真方法，其特征在于，基于信 號和噪聲特征值大小差異估計目標個數(shù)，設(shè)存在k個目標，假設(shè)噪聲特征值多樣性為q，則信 號的最小特征值λκ = λΜ-。應(yīng)超過所設(shè)定的檢測口限，而N-k個噪聲的特征值A(chǔ)k+l，…，λΜ應(yīng)低于 檢測口限，檢測流程如下： 步驟a、首先從q= 1開始確定二元假設(shè)如下： Ho = k<N-q Hi = k = N-q 步驟b、利用信號特征值大于噪聲方差特征值，構(gòu)建基于特征值口限的循環(huán)表達式為：式中，AVq為噪聲特征值的上界，冊表示目標不存在，化表示目標存在;將求解的特征值 λι排序代入循環(huán)表達式，其中，若λι小于XUN-q，則滿足化，則令q = q+l返回步驟a繼續(xù)檢驗直 至滿足化或者q=M;若λκ滿足化，即λκ>λν。，則停止檢驗，此時檢測到的目標數(shù)目k = N-q。
【文檔編號】G01S7/41GK105842674SQ201610239715
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月18日
【發(fā)明人】劉偉偉, 唐蕾, 沈衛(wèi)康
【申請人】南京工程學院