近场双基地雷达系统中基于多普勒的速度估计误差界分析

《IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems》：Error Bound Analysis for Velocity Estimation in Near-Field Bistatic Radar Systems

本文针对未来无线网络集成通信感知一体化（JCS）的需求，研究了在近场条件下利用极大规模孔径阵列（ELAA）的双基地雷达配置中目标速度估计的理论性能界限。通过推导克拉美-罗下界（CRLB），分析了系统几何参数和信号参数对径向和横向速度分量估计精度的影响，揭示了阵列孔径、目标距离等关键因素的相互作用规律，为6G网络高精度感知系统设计提供了重要理论依据。

　　

随着第六代移动通信系统（6G）的快速发展，集通信与感知功能于一体的技术范式正成为无线通信领域的重要研究方向。特别是在自动驾驶、智能交通等场景中，对运动目标位置和速度的高精度实时感知提出了更高要求。传统雷达系统在远场条件下存在明显局限：单基地雷达容易受到自发干扰的影响，而双基地雷达虽然能够通过收发分离避免这一问题，但在速度估计方面通常只能获取目标相对于双基地平分线的径向分量，无法完整还原速度矢量。

近年来，极大规模孔径阵列技术的突破性发展为解决这一难题提供了新思路。当使用包含数百甚至数千个天线单元的阵列时，电磁波的传播特性会发生显著变化——近场区域的范围大幅扩展，使得在相对较远的距离上也能观测到球面波前效应。这种特性为提升感知能力创造了独特条件：阵列的不同天线单元能够从略微不同的角度"观察"目标，从而获得更丰富的运动信息。

本研究聚焦于近场双基地雷达系统中的速度估计问题，旨在从理论上探索利用极大规模孔径阵列同时估计目标径向和横向速度分量的可行性。通过建立严格的数学模型，研究人员推导出了速度估计的克拉美-罗下界表达式，系统分析了各种因素对估计精度的影响规律，为未来集成通信感知一体化系统的优化设计提供了重要参考。相关成果已发表于《IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems》。

在研究方法上，作者构建了单输入多输出（SIMO）正交频分复用（OFDM）系统模型，考虑近场传播条件下的球面波前效应。通过建立包含目标位置、速度等参数的信号接收模型，基于费舍尔信息矩阵（FIM）理论推导了径向速度（v_r）和横向速度（v_t）估计的克拉美-罗下界闭式表达式。研究还引入了速度误差界（VEB）作为综合评价指标，并对比分析了单天线（SISO）与多天线配置、水平与垂直阵列部署、单基地与双基地雷达架构的性能差异。

系统模型与性能界限

研究考虑二维场景下的双基地雷达配置，包含单个发射机和K个接收天线组成的均匀线性阵列（ULA）。目标被建模为运动点目标，接收信号模型考虑了近场传播引起的波前曲率效应。通过分析各天线单元上的多普勒频移差异，建立了速度分量与观测参数之间的数学关系。研究假设目标位置已知，专注于速度估计的理论性能分析。

参数影响与近似分析

通过引入合理的近似，研究人员得出了简化的克拉美-罗下界表达式，清晰揭示了各参数对估计精度的影响机制。对于径向速度估计，性能主要取决于信号持续时间T_obs的平方和天线数量K提供的信噪比（SNR）增益，而与阵列孔径和目标距离的关系相对较弱。相比之下，横向速度估计的精度强烈依赖于距离与孔径比（d/D_a），当目标远离阵列时性能迅速下降。

阵列部署与几何效应

研究比较了水平阵列和垂直阵列在不同目标方位角（θ）下的性能表现。水平阵列部署下，横向速度估计在阵列端射方向（θ=±π/2）性能最差，而在阵列正横方向（θ=0）性能最优。垂直阵列则表现出不同的方向特性，盲区位置发生相应变化。研究还发现，当目标距离小于阵列孔径（d<D_a）时，即使在传统盲区方向也能获得一定的速度估计能力。

单双基地配置对比

通过将双基地配置退化为单基地配置（发射机与接收阵列中心重合），研究对比了两种架构的性能差异。虽然速度分量的定义不同（单基地以目标-阵列中心连线为参考，双基地以双基地平分线为参考），但速度误差界表现出相似的距离依赖性，均以距离与孔径比为主要影响因素。单基地配置由于几何对称性通常能获得略优的性能。

数值验证与性能评估

通过系统的数值仿真，研究验证了理论分析的正确性和近似表达式的有效性。仿真结果显示，随着阵列孔径增大，横向速度估计能力显著提升，特别是在目标靠近阵列的区域。当使用501个半波长间距天线（孔径约2.7米）时，在30米×30米区域内都能获得良好的速度估计性能。研究还考察了实际信噪比分布（考虑雷达距离方程）对性能的影响，揭示了在不同区域速度估计精度的空间变化规律。

本研究通过理论分析和数值验证，系统阐述了在近场条件下利用极大规模孔径阵列实现高精度速度估计的可行性。主要结论表明，双基地雷达配置结合极大规模孔径阵列能够有效估计目标的完整速度矢量，克服了传统单天线系统只能获取径向速度分量的局限。理论分析揭示了距离与孔径比是影响横向速度估计精度的关键几何因素，而信号持续时间、载波频率等参数对两种速度分量的影响机制存在显著差异。

研究结果对未来集成通信感知一体化系统设计具有重要指导意义。通过合理选择阵列孔径、天线部署方式和系统工作参数，可以在不同应用场景下优化速度估计性能。特别是在车辆通信、无人机网络等动态环境中，基于极大规模孔径阵列的近场感知技术为实现高精度目标跟踪和预测性波束成形提供了新的技术途径。该研究为6G及未来无线网络中感知功能的性能极限分析奠定了理论基础，为相关标准的制定和系统优化提供了重要参考。