一种基于正交传播算子的单基地互质MIMO阵列DOA估计算法制造技术

本发明专利技术涉及雷达测向技术领域，尤其涉及一种基于正交传播算子的单基地互质MIMO阵列DOA估计算法，包括以下步骤：通过一对单排互质阵列作为收发阵列组成单基地MIMO阵列；建立经多普勒补偿和匹配滤波后的接收信号模型，并对接收信号进行协方差处理，得到协方差矩阵；由协方差矩阵求解传播算子，由传播算子构造噪声子空间，对噪声子空间进行正交化处理，再用正交化处理后的噪声子空间代替MUSIC算法中的噪声子空间进行正交传播算子谱峰搜索。本发明专利技术的算法将MIMO雷达的发射和接收阵列都按照互质阵列的规则排列，充分利用了互质和MIMO阵列的优势，利用MIMO阵列的虚拟阵列流型矩阵大幅提高了算法的DOF，并且OPM算法避免了MUSIC算法中的特征值分解。的特征值分解。

【技术实现步骤摘要】
一种基于正交传播算子的单基地互质MIMO阵列DOA估计算法


[0001]本专利技术涉及雷达测向
，尤其涉及一种基于正交传播算子的单基地互质MIMO阵列DOA估计算法。

技术介绍

[0002]多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)雷达是近年来在通讯领域中广泛使用的新型雷达，最早可追溯到1990年代中期贝尔实验室等提出的在通信系统收发侧使用多个天线的提议，直到2003年，MIMO雷达的概念正式被有关学者们提出。MIMO雷达使用多个阵元同步发射和接收信号以执行集中信号处理，这对于在诸如提升信道容量、提高信号检测和目标参数估计性能等应用具有显著的优势。
[0003]波达方向(Direction Of Arrival,DOA)估计在通信、医学成像、天文成像、地震学、声呐等领域有着广泛的应用，是MIMO雷达研究中的一个重要方向。近年来所提出的MIMO雷达DOA估计大都基于均匀线阵结合多重信号分类法(Multiple Signal Classification,MUSIC)和旋转不变性(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Technique，ESPRIT)。但是均匀线阵的孔径是有限的，因为使用均匀线阵就必须满足奈奎斯特采样定理，阵元间隔就要不大于信号半波长，并且均匀线阵的自由度(Direction Of Freedom,DOF)也受限于阵元的个数。在此背景下，文献(VAIDYANATHAN P P and PAL P.Sparse sensing with co
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prime samplers and arrays[J].IEEE Transactions on Signal Processing,2011,59(2):573
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586.doi:10.1109/TSP.2010.2089682.)提出了互质阵列的概念，为互质阵列的DOA估计奠定了基础。
[0004]互质阵列是一种非均匀稀疏阵列，相比于均匀阵列，互质阵列可以对入射信号进行欠采样，从而突破阵元之间的间距限制，并且阵列可以获得远超阵元个数的DOF。文献(ZHOU Chengwei,SHI Zhiguo,GU Yujie,et al.DECOM:DOA estimation with combined MUSIC for coprime array[C].2013 International Conference on Wireless Communications and Signal Processing,Hangzhou,China,2013:1
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5.)提出的DECOM算法将互质阵列分解为两个互质的稀疏均匀直线子阵，并使用MUSIC算法估计每个子阵列上的DOA，利用质数特性找到两个空间谱重合的谱峰就为真实的DOA。此方法可以避免稀疏阵列带来的相位模糊，但只能分辨单一信源的DOA，并且子阵分解会不可避免的导致信息亏损进而降低估计的精度和性能，文献(SHI J,HU G,ZHANG X,et al.Generalized co
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prime MIMO radar for DOA estimation with enhanced degrees of freedom[J].IEEE Sensors Journal,2018,18(3):1203
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1212.)的方法虽然克服了单一信源的问题，但信息亏损问题仍未得到解决。文献(Jia Y,Chen C,Zhong X,et al.DOA estimation of coherent and incoherent targets based on monostatic co
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prime MIMO array[J].Digital Signal Processing,2019,94.)将互质阵列拆分为N个稀疏发射天线和2M
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1个稀疏接收天线的互质MIMO阵列进行DOA估计，实现了对相干信号和非相干信号的联合估计，虽采用MIMO阵列突破了物理天线数目对自由度的限制在一定程度上提升了自由度，但自由度的提升仍
然不明显。文献(PAL P and VAIDYANATHAN P P.Coprime sampling and the MUSIC algorithm[C].Proceedings of 2011 Digital Signal Processing and Signal Processing Education Meeting,Sedona,USA,2011:289
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294.)提出了虚拟域奈奎斯特匹配法，利用增广虚拟出的均匀阵列流形结构结合空间平滑技术和MUSIC算法进行DOA估计，该方法成功解决了DECOM算法的信息亏损问题，并且算法的自由度得到了显著的提高。
[0005]综上，现有的雷达测向技术存在以下问题：
[0006]1.雷达的分辨率和DOF分别由雷达的孔径和雷达的阵元数目决定，如何提高阵列孔径和DOF的同时尽可能少的使用阵元；
[0007]2.均匀线阵MUSIC算法复杂度极高，如何降低算法的计算复杂度；
[0008]3.均匀线阵MUSIC算法的准确率低，即均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)较大。

技术实现思路

[0009]有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种基于正交传播算子的单基地互质MIMO阵列DOA估计算法，该算法将MIMO雷达的发射和接收阵列都按照互质阵列的规则排列，充分利用了互质和MIMO阵列的优势，利用MIMO阵列的虚拟阵列流型矩阵大幅提高了算法的DOF，并且OPM算法避免了MUSIC算法中的特征值分解。
[0010]本专利技术通过以下技术手段解决上述技术问题：
[0011]一种基于正交传播算子的单基地互质MIMO阵列DOA估计算法，包括以下步骤：
[0012]建立雷达模型，通过一对单排互质阵列作为收发阵列组成单基地MIMO阵列；
[0013]建立信号模型，建立经多普勒补偿和匹配滤波后的接收信号模型，并对接收信号进行协方差处理，得到协方差矩阵；
[0014]建立DOA估计算法，由协方差矩阵求解传播算子，由传播算子构造噪声子空间，对噪声子空间进行正交化处理，再用正交化处理后的噪声子空间代替MUSIC算法中的噪声子空间进行正交传播算子谱峰搜索。
[0015]进一步，所述收发阵列完全相同，阵元数目为M+N
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1，所述收发阵列中的发射阵列和接收阵列每个阵元位置的数集形式均表示为:
[0016][0017]其中，M为单排互质阵列中子阵1的阵元数目，N为单排互质阵列中子阵2的阵元数目，Md为子阵1的阵元间隔，Nd为子阵2的阵元间隔，λ为信号波长。
[0018]进一步，所述子阵1和子阵2的第一个阵元重本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于正交传播算子的单基地互质MIMO阵列DOA估计算法，其特征在于，包括以下步骤：建立雷达模型，通过一对单排互质阵列作为收发阵列组成单基地MIMO阵列；建立信号模型，建立经多普勒补偿和匹配滤波后的接收信号模型，并对接收信号进行协方差处理，得到协方差矩阵，近似估计理想协方差矩阵；建立DOA估计算法，由协方差矩阵求解传播算子，由传播算子构造噪声子空间，对噪声子空间进行正交化处理，再用正交化处理后的噪声子空间代替MUSIC算法中的噪声子空间进行正交传播算子谱峰搜索。2.根据权利要求1所述的一种基于正交传播算子的单基地互质MIMO阵列DOA估计算法，其特征在于，所述收发阵列完全相同，阵元数目为M+N
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1，所述收发阵列中的发射阵列和接收阵列每个阵元位置的数集形式均表示为:其中，M为单排互质阵列中子阵1的阵元数目，N为单排互质阵列中子阵2的阵元数目，Md为子阵1的阵元间隔，Nd为子阵2的阵元间隔，λ为信号波长。3.根据权利要求2所述的一种基于正交传播算子的单基地互质MIMO阵列DOA估计算法，其特征在于，所述子阵1和子阵2的第一个阵元重合，阵元数目M＞N并且M和N互质。4.根据权利要求3所述的一种基于正交传播算子的单基地互质MIMO阵列DOA估计算法，其特征在于，所述接收信号模型的建立如下：假设空间中存在K个不相关的远场目标，其方位角分别为θ1,θ2,...,θ
K
,那么t时刻接收阵列收到信号表示如下：其中，s(t)＝[s1(t),s2(t),...,s
k
(t)]
T
为信号的波形矢量,α
k
、f
k
分别为第K个目标信号的雷达反射系数和多普勒频移,n(t)为均值为0、方差为σ2的高斯白噪声矢量，λ为发送信号和接收信号的波长，i＝1,2,...,M+N
‑
1；经多普勒补偿和匹配滤波后的接收信号模型建立...

【专利技术属性】
技术研发人员：周围，冉靖萱，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：