基于孔径补全的压缩感知MIMO雷达目标探测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于孔径补全的互质阵列压缩感知MIMO雷达目标探测方法，针对互质接收阵列压缩感知MIMO雷达孔径不连续的问题，研究了将互质接收阵列压缩感知MIMO雷达孔径扩展为一个虚拟均匀线阵孔径的孔径补全方法，将互质接收阵列压缩感知MIMO雷达的接收信号矩阵视作虚拟均匀线阵压缩感知MIMO雷达接收信号矩阵的压缩观测结果，通过设计特殊结构的观测矩阵，完成实际接收信号矩阵向虚拟接收信号矩阵的投影，最后利用优化求解算法对虚拟信号矩阵的优化恢复。本发明专利技术实现了压缩感知MIMO雷达孔径的扩展，提高了压缩感知MIMO雷达目标角度估计的精度。

【技术实现步骤摘要】
基于孔径补全的压缩感知MIMO雷达目标探测方法
本专利技术具体涉及一种基于孔径补全的互质阵列压缩感知MIMO雷达目标探测方法。
技术介绍
随机阵列在理论模型向实际系统过渡的过程中，面临着系统规模大、建模难度高的问题。互质接收阵列降低了压缩感知MIMO雷达硬件系统复杂度，同时提高有限阵元情况下压缩感知MIMO雷达的目标角度估计性能，但是由于互质阵列孔径不连续，导致无法最大化利用互质阵列的孔径，孔径利用率低导致压缩感知MIMO雷达目标角度估计精度不高。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种基于孔径补全的互质阵列压缩感知MIMO雷达目标探测方法，将互质接收阵列压缩感知MIMO雷达的接收信号矩阵视作虚拟均匀线阵压缩感知MIMO雷达接收信号矩阵的压缩观测结果，通过设计特殊结构的观测矩阵，完成实际接收信号矩阵向虚拟接收信号矩阵的投影，最后利用优化求解算法对虚拟信号矩阵的优化恢复，实现压缩感知MIMO雷达孔径的扩展，提高压缩感知MIMO雷达目标角度估计精度。技术方案：为实现上述目的，本专利技术提供一种基于孔径补全的互质接收阵列压缩感知MIMO雷达目标探测方法，包括构造互质接收阵列真实接收信号矩阵的匹配滤波输出信号矩阵、构造虚拟均匀直线阵列对应的稀疏过完备字典、构造孔径补全观测矩阵与稀疏优化重构；其中，构造真实接收信号矩阵匹配滤波输出信号矩阵用于得到互质接收阵列所接收信号矩阵的稀疏表示模型；构造虚拟均匀直线阵列对应的稀疏过完备字典用于构造虚拟孔径对应虚拟接收信号的稀疏表示模型；构造孔径补全观测矩阵用于将互质接收阵列的孔径扩展至虚拟均匀直线阵列的阵列；稀疏优化重构用于重构回波信号在稀疏域的稀疏向量，从而得到目标所在角度的估计。其具体的步骤如下：1)构造基于互质接收阵列的压缩感知MIMO雷达回波信号模型，得到互质阵列P个接收脉冲对应的匹配滤波输出信号矩阵X的表示模型；2)将目标角度空间离散为Q个网格，构造互质接收阵列所对应的虚拟均匀直线阵列接收导引矢量c；3)令压缩感知MIMO雷达发射导引矢量为a，利用a与虚拟接收阵列导引矢量c构造得到压缩感知MIMO雷达对应的目标稀疏过完备字典Ψ，并基于过完备字典Ψ构造虚拟均匀直接阵列的接收信号匹配滤波输出数据的稀疏表示模型；4)构造孔径补全观测矩阵Φchannel；5)构造脉冲压缩观测矩阵Φpulse，得到脉冲随机压缩观测后的观测信号Y，并得到Y的向量化数据向量y＝vec(Y)的稀疏表示模型；6)求解关于y的优化重构问题，得到对应的稀疏向量，从而获得目标角度的估计。进一步地，所述步骤1中互质阵列P个接收脉冲对应的匹配滤波输出信号矩阵X的表示模型的建立，具体包括：1.1)压缩感知MIMO雷达系统发射阵列由MT个发射天线构成，其接收阵列则由两个互质的均匀直线接收子阵构成，其中一个接收子阵列由间隔为N个单位间隔的2M个接收阵元构成，另一个接收子阵列由间隔为M个单位间隔的N个接收阵元构成，令λ表示雷达信号的波长，则阵列的单位间隔d＝λ/2，可以得到互质接收阵列的接收阵元数为NR＝2M+N，各接收阵元的位置为Z＝{Mnd,0≤n≤N-1}∪{Nmd,0≤m≤2M}；1.2)令第i个接收阵元的位置为Zi，令sj(t)表示第j个发射天线对应的发射信号，则为发射信号矩阵。假设空间存在K个目标，对应的方位角分别为φ1,φ2,…,φK，则第k个目标的发射导引矢量与接收导引矢量分别为与1.3)定义接收信号矩阵则第p个脉冲对应的互质接收阵列接收信号可以表示为其中ηk,p为第k个目标在第p个脉冲内的目标雷达散射截面复反射系数；1.4)令xp表示第p个脉冲对应的接收阵列脉冲匹配输出信号，假设xp的长度为L，则第p个接收脉冲信号的匹配滤波输出信号为xp＝vec(RpSH/L)，由P个脉冲对应的匹配滤波输出信号可以构成的维度为NTNR×P的接收信号矩阵X＝[x1,x2,…,xP]。进一步地，所述步骤2中构造互质接收阵列所对应的虚拟均匀直线阵列接收导引矢量c，具体为：考虑一个虚拟压缩感知MIMO雷达，其发射阵列同样由NT个发射阵元构成，而其接收阵列是由2MN个接收阵元构成的均匀直线阵列，阵元间隔同样为d＝λ/2。假设该虚拟CS-MIMO雷达对应第p个脉冲的匹配滤波输出结果为在不考虑量化误差的情况下，将目标角度空间离散为Q个网格，则该虚拟均匀直线接收阵列的接收导引矢量为其中为角度空间离散化后的第q个离散角度。进一步地，所述步骤3中目标稀疏过完备字典Ψ，并基于过完备字典Ψ构造虚拟均匀直接阵列的接收信号匹配滤波输出数据的稀疏表示模型，具体包括：3.1)定义过完备冗余字典的第q列为其中表示克罗内克积；3.2)构造压缩感知MIMO雷达对应的目标空间稀疏过完备字典为Ψ＝[ψ1,ψ2,…,ψQ]；3.3)定义一个维度为Q×1的稀疏向量θp＝[θ1,θ2,…,θQ]，如果第k个目标出现在角度上，则θq＝ηk,p，否则θq＝0。由此可以得到该虚拟压缩感知MIMO雷达第p个接收信号匹配滤波输出数据的稀疏表示模型为3.4)构造虚拟压缩感知MIMO雷达接收到的P个脉冲构成的虚拟接收信号矩阵3.5)令其中vec(·)为向量化函数，构造多脉冲接收信号的稀疏表示模型其中e′为观测噪声。进一步地，所述步骤4中构造孔径补全观测矩阵，具体包括：4.1)定义长度为2MN的阵元选取基向量uz，4.2)由互质接收阵列阵元位置对应的uz构成接收阵列压缩观测矩阵4.3)选择一个维度为Nt×Nt的单位矩阵得到互质接收阵列压缩感知MIMO雷达的孔径补全观测矩阵进一步地，所述步骤5中构造向量化数据向量y＝vec(Y)的稀疏表示模型，具体包括：5.1)通过一个脉冲压缩观测矩阵Φpulse，维度为P′×P，其中P′＜P，表示脉冲压缩的比例为P′/P，Φpulse中的系数服从高斯随机分布；5.2)得到经过脉冲随机压缩观测后的观测信号Y＝XΦpulse；5.3)将观测信号Y进行向量化，得到进一步地，所述步骤6中求解关于y的优化重构问题得到目标角度的估计值，具体为：从观测信号y中求解稀疏向量需要求解如下的优化问题其中ε为误差控制系数，上述问题是一个典型的LASSO优化问题，因此本专利技术中采用LASSO算法来完成稀疏向量的恢复。有益效果：本专利技术与现有技术相比，针对互质接收阵列压缩感知MIMO雷达孔径不连续的问题，研究了将互质接收阵列压缩感知MIMO雷达孔径扩展为一个虚拟均匀线阵孔径的孔径补全方法，将互质接收阵列压缩感知MIMO雷达的接收信号矩阵视作虚拟均匀线阵压缩感知MIMO雷达接收信号矩阵的压缩观测结果，通过设计特殊结构的观测矩阵，完成实际接收信号矩阵向虚拟接收信号矩阵的投影，最后利用优化求解算法对虚拟信号矩阵的优化恢复，实现压缩感知MIMO雷达孔径的扩展，提高了压缩感知MIMO雷达目标角度估计的精度。附图说明图1为互质接收阵压缩感知MIMO雷达收发系统模型示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本专利技术，应理解这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围，在阅读了本专利技术之后，本领域技术人员对本专利技术的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。本专利技术提供一种基于孔径补全的互质阵列压缩感知MIMO雷达目标探测方法，总体上包本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于孔径补全的互质阵列压缩感知MIMO雷达目标探测方法，其特征在于：包括以下步骤：1)构造基于互质接收阵列的压缩感知MIMO雷达回波信号模型，得到互质阵列P个接收脉冲对应的匹配滤波输出信号矩阵X的表示模型；2)将目标角度空间离散为Q个网格，构造互质接收阵列所对应的虚拟均匀直线阵列接收导引矢量c；3)令压缩感知MIMO雷达发射导引矢量为a，利用a与虚拟接收阵列导引矢量c构造得到压缩感知MIMO雷达对应的目标稀疏过完备字典Ψ，并基于过完备字典Ψ构造虚拟均匀直接阵列的接收信号匹配滤波输出数据的稀疏表示模型；4)构造孔径补全观测矩阵Φchannel；5)构造脉冲压缩观测矩阵Φpulse，得到脉冲随机压缩观测后的观测信号Y，并得到Y的向量化数据向量y＝vec(Y)的稀疏表示模型；6)求解关于y的优化重构问题，得到对应的稀疏向量，从而获得目标角度的估计。

【技术特征摘要】
1.一种基于孔径补全的互质阵列压缩感知MIMO雷达目标探测方法，其特征在于：包括以下步骤：1)构造基于互质接收阵列的压缩感知MIMO雷达回波信号模型，得到互质阵列P个接收脉冲对应的匹配滤波输出信号矩阵X的表示模型；2)将目标角度空间离散为Q个网格，构造互质接收阵列所对应的虚拟均匀直线阵列接收导引矢量c；3)令压缩感知MIMO雷达发射导引矢量为a，利用a与虚拟接收阵列导引矢量c构造得到压缩感知MIMO雷达对应的目标稀疏过完备字典Ψ，并基于过完备字典Ψ构造虚拟均匀直接阵列的接收信号匹配滤波输出数据的稀疏表示模型；4)构造孔径补全观测矩阵Φchannel；5)构造脉冲压缩观测矩阵Φpulse，得到脉冲随机压缩观测后的观测信号Y，并得到Y的向量化数据向量y＝vec(Y)的稀疏表示模型；6)求解关于y的优化重构问题，得到对应的稀疏向量，从而获得目标角度的估计。2.根据权利要求1所述的一种基于孔径补全的互质阵列压缩感知MIMO雷达目标探测方法，其特征在于：所述步骤1中互质阵列P个接收脉冲对应的匹配滤波输出信号矩阵X的表示模型的建立，具体包括：1.1)压缩感知MIMO雷达系统发射阵列由MT个发射天线构成，其接收阵列则由两个互质的均匀直线接收子阵构成，其中一个接收子阵列由间隔为N个单位间隔的2M个接收阵元构成，另一个接收子阵列由间隔为M个单位间隔的N个接收阵元构成，令λ表示雷达信号的波长，则阵列的单位间隔d＝λ/2，可以得到互质接收阵列的接收阵元数为NR＝2M+N，各接收阵元的位置为Z＝{Mnd,0≤n≤N-1}∪{Nmd,0≤m≤2M}；1.2)令第i个接收阵元的位置为Zi，Zi∈Z,令sj(t)表示第j个发射天线对应的发射信号，则为发射信号矩阵。假设空间存在K个目标，对应的方位角分别为φ1,φ2,…,φK，则第k个目标的发射导引矢量与接收导引矢量分别为与1.3)定义接收信号矩阵则第p个脉冲对应的互质接收阵列接收信号可以表示为其中ηk,p为第k个目标在第p个脉冲内的目标雷达散射截面复反射系数；1.4)令xp表示第p个脉冲对应的接收阵列脉冲匹配输出信号，假设xp的长度为L，则第p个接收脉冲信号的匹配滤波输出信号为xp＝vec(RpSH/L)，由P个脉冲对应的匹配滤波输出信号可以构成的维度为NTNR×P的接收信号矩阵X＝[x1,x2,…,xP]。3.根据权利要求1所述的一种基于孔径补全的互质阵列压缩感知MIMO雷达目标探测方法，其特征在于：所述步骤2中构造互质接收阵列所对应的虚拟均匀直线阵列接收导引矢量c，具...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶宇，杨可歆，刘玉申，张静亚，徐健，
申请(专利权)人：常熟理工学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32