一种最小冗余线阵MIMO-OTHR的DOA估计方法技术

本发明专利技术公开了一种最小冗余线阵MIMO‑OTHR的DOA估计方法，属于天波MIMO‑OTHR信号处理技术领域，将最小冗余线阵应用到MIMO‑OTHR信号处理中，极大地提高了阵列的虚拟孔径数量，并在此基础上提出了一种分段子阵的去相干相关DOA估计方法，解决了最小冗余线阵等效天线非均匀分布的问题。此外，本发明专利技术对OTHR的DOA估计性能有明显的改进效果，对最小冗余线阵MIMO‑OTHR的DOA估计比较精确，同时能以较少的天线数量实现较好的DOA估计性能。

【技术实现步骤摘要】
一种最小冗余线阵MIMO-OTHR的DOA估计方法
本专利技术属于天波MIMO-OTHR信号处理
，具体涉及一种最小冗余线阵MIMO-OTHR的DOA估计方法的设计。
技术介绍
超视距雷达(OvertheHorizonRadar，OTHR)与视距雷达不同，是指探测距离不受地球曲率的影响，主要探测雷达水平线以下目标的一种雷达。其发射的高频电磁波处于短波波段(3-30MHz)，传播路径一般是非直线的，因此探测目标一般不在雷达视距范围之内。根据传播路径的不同，OTHR可以分为三类：分别是天波OTHR，地波OTHR以及微波大气波导OTHR。天波OTHR通过电离层对高频电磁波的反射作用探测远距离目标：传统基于相控阵的OTHR由于受电离层和海面杂波的影响，近年来研究进展比较缓慢；而基于多输入多输出(Multi-inputMulti-output，MIMO)阵列的OTHR作为一个新的研究方向，由于具有可以向多个方向发射宽波束并在接收端形成窄波束的特点，在处理多径回波、提高信号检测概率和参数估计性能等方面具有明显优势，因此逐渐成为海内外学者的研究热点。多层电离层结构的天波OTHR因为各层的高度不同会产生多径回波，根据传播路径可知这些不同模式的回波又是相关甚至相干的。因此，基于多层电离层结构的MIMO-OTHR信号处理的一个重要内容就是如何利用这些相关相干回波来进行雷达参数的估计，而在众多雷达参数中，波达方向(DirectionofArrival，DOA)是一个比较重要的参数。OTHR与视距雷达最大的不同是，OTHR被来自电离层和海面的强杂波所干扰，且多径回波往往是相干或者相关的。因此，OTHR的DOA估计可以被看作是在各种随机干扰背景下，如何从相关或相干回波中分辨DOA角度的问题。这个问题对OTHR信号处理是非常重要的，特别是对于多层电离层结构，DOA角度估计的准确度决定了后续波形优化、目标检测和追踪等所有处理算法的有效性。多层电离层结构会产生多径回波，而这些多径回波可能是相关甚至相干的，提高多径相干相关回波的DOA估计性能是OTHR信号处理的基础。由于OTHR一般具有较强的杂波干扰，需要进一步扩展虚拟孔径以抵消处理相干回波时的阵列孔径损失，因此将最小冗余线阵应用到MIMO-OTHR信号处理中，可以极大地提高阵列的虚拟孔径数量。目前由于最小冗余线阵的等效天线是非均匀分布的，而传统的空间平滑去相干相关算法是以均匀线阵为前提，因此采用传统的空间平滑去相干相关算法对最小冗余线阵MIMO-OTHR的DOA进行估计会造成估计结果并不准确。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有的空间平滑去相干相关算法对最小冗余线阵MIMO-OTHR的DOA估计并不准确的问题，提出了一种最小冗余线阵MIMO-OTHR的DOA估计方法，采用分段子阵的方法，可以有效解决最小冗余线阵的等效天线非均匀分布的问题。本专利技术的技术方案为：一种最小冗余线阵MIMO-OTHR的DOA估计方法，包括以下步骤：S1、以最小的实际天线数量实现最大的虚拟孔径数量为目标设计最小冗余线阵。S2、以实际发射天线的位置为基准，以实际接收天线的数量为长度，将最小冗余线阵划分为多个子阵。S3、选取角度采样点并根据各角度采样点计算得到每个子阵的映射矩阵Zm，其中m＝1,2,...,M，M为子阵数量，N为每个子阵的阵元数量。S4、采用映射矩阵Zm对每个子阵经向量化的接收信号Y′m进行加权，得到虚拟均匀阵列的接收信号S5、对每个子阵接收信号的相关矩阵进行特征值分解，并根据分解得到的特征值估计噪声方差S6、根据虚拟均匀阵列的接收信号的协方差矩阵以及噪声方差计算得到每个子阵无噪声情况下虚拟均匀线阵的协方差矩阵S7、根据每个子阵无噪声情况下虚拟均匀线阵的协方差矩阵计算得到最小冗余线阵的平均协方差矩阵RMR。S8、根据平均协方差矩阵RMR，采用MUSIC算法对最小冗余线阵MIMO-OTHR的DOA角度进行估计。进一步地，步骤S1具体为：若虚拟孔径数量μM+νN确定，则采用如下公式对最小冗余阵列进行配置：其中{μ1,μ2,...,μm,...,μM}和{ν1,ν2,...,νn,...,νN}表示天线在坐标轴上的归一化位置，M表示实际发射天线的数量，N表示实际接收天线的数量，M+N即为实际天线数量，μm+νn表示第mn个虚拟阵元在坐标轴上的位置，m＝1,2,...,M；n＝1,2,...,N，{μm+νn-μ′m-ν′n}表示所有虚拟阵元的间距组成的集合，μ′m+ν′n表示与μm+νn不同的虚拟阵元的位置，μM+νN为最后一个虚拟阵元在坐标轴上的位置，同时也表示阵列最多可以实现的虚拟孔径数量。若实际天线数量Δ＝M+N确定，则采用如下公式对最小冗余阵列进行配置：进一步地，步骤S2具体为：以实际发射天线的位置为基准，以实际接收天线的数量为长度，将具有M个发射阵元和N个接收阵元的最小冗余线阵划分为M个子阵，每个子阵由非均匀的N个阵元组成。进一步地，步骤S3中每个子阵的映射矩阵Zm的计算公式为：其中表示角度插值后第m个子阵等效的虚拟均匀阵列的导向矩阵，表示角度插值后第m个子阵的导向矩阵的逆矩阵，d表示子阵的均匀间距。进一步地，步骤S4中接收信号的计算公式为：其中Am表示第m个子阵的导向矩阵，表示第m个子阵等效的虚拟均匀阵列的导向矩阵，Φ表示干扰因子矩阵，Θ′m表示第m个子阵经向量化后的噪声矩阵。进一步地，步骤S6中无噪声情况下虚拟均匀线阵的协方差矩阵的计算公式为：其中表示有噪声情况下虚拟均匀线阵的协方差矩阵，计算公式为：其中E[·]表示协方差运算，上标H表示矩阵的共轭转置，RΦ为干扰因子协方差矩阵且RΦ＝E[ΦΦH]。进一步地，步骤S7中平均协方差矩阵RMR的计算公式为：本专利技术的有益效果是：本专利技术将最小冗余线阵应用到MIMO-OTHR信号处理中，极大地提高了阵列的虚拟孔径数量，并在此基础上提出了一种分段子阵的去相干相关DOA估计方法，解决了最小冗余线阵等效天线非均匀分布的问题。此外，本专利技术对OTHR的DOA估计性能有明显的改进效果，对最小冗余线阵MIMO-OTHR的DOA估计比较精确，同时能以较少的天线数量实现较好的DOA估计性能。附图说明图1所示为本专利技术实施例提供的一种最小冗余线阵MIMO-OTHR的DOA估计方法流程图。图2所示为本专利技术实施例提供的均匀线阵MIMO-OTHR的DOA估计结果示意图。图3所示为本专利技术实施例提供的最小冗余线阵MIMO-OTHR的DOA估计结果示意图。具体实施方式现在将参考附图来详细描述本专利技术的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本专利技术的原理和精神，而并非限制本专利技术的范围。本专利技术实施例提供了一种最小冗余线阵MIMO-OTHR的DOA估计方法，如图1所示，包括以下步骤S1～S8：S1、以最小的实际天线数量实现最大的虚拟孔径数量为目标设计最小冗余线阵。OTHR的工作波长决定了不可能大量地增加实际的天线数量：OTHR工作频段一般在3-30MHz，则波长λ为10-100m，MIMO波形分集要求的最低天线间隔为λ/2，即5-50m，则天线数量的增加受限于整个雷达的安装成本和阵列宽度限制。本专利技术实施例中，使用最小冗余线阵对线性阵列的有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种最小冗余线阵MIMO‑OTHR的DOA估计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、以最小的实际天线数量实现最大的虚拟孔径数量为目标设计最小冗余线阵；S2、以实际发射天线的位置为基准，以实际接收天线的数量为长度，将最小冗余线阵划分为多个子阵；S3、选取角度采样点

【技术特征摘要】
1.一种最小冗余线阵MIMO-OTHR的DOA估计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、以最小的实际天线数量实现最大的虚拟孔径数量为目标设计最小冗余线阵；S2、以实际发射天线的位置为基准，以实际接收天线的数量为长度，将最小冗余线阵划分为多个子阵；S3、选取角度采样点并根据各角度采样点计算得到每个子阵的映射矩阵Zm，其中m＝1,2,...,M，M为子阵数量，N为每个子阵的阵元数量；S4、采用映射矩阵Zm对每个子阵经向量化的接收信号Ym′进行加权，得到虚拟均匀阵列的接收信号S5、对每个子阵接收信号的相关矩阵进行特征值分解，并根据分解得到的特征值估计噪声方差S6、根据虚拟均匀阵列的接收信号的协方差矩阵以及噪声方差计算得到每个子阵无噪声情况下虚拟均匀线阵的协方差矩阵S7、根据每个子阵无噪声情况下虚拟均匀线阵的协方差矩阵计算得到最小冗余线阵的平均协方差矩阵RMR；S8、根据平均协方差矩阵RMR，采用MUSIC算法对最小冗余线阵MIMO-OTHR的DOA角度进行估计。2.根据权利要求1所述的DOA估计方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：若虚拟孔径数量μM+νN确定，则采用如下公式对最小冗余阵列进行配置：minM+Nμm+νn-μ′m-ν′n≤μM+νN其中{μ1,μ2,...,μm,...,μM}和{ν1,ν2,...,νn,...,νN}表示天线在坐标轴上的归一化位置，M表示实际发射天线的数量，N表示实际接收天线的数量，M+N即为实际天线数量，μm+νn表示第mn个虚拟阵元在坐标轴上的位置，m＝1,2,...,M；n＝1,...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗杨，骆春波，孙文健，袁恒，曹辉，刘子健，刘翔，吴佳，濮希同，徐加朗，许燕，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51