[發明專利]基于陣列內插壓縮感知的米波雷達測高方法

有效

• 申請號: 201310240710.7
• 申請日: 2013-06-18
• 公開（公告）號: CN103353595A
• 公開（公告）日: 2013-10-16
• 發明（設計）人: 陳伯孝;張晰;朱偉;楊明磊
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G01S7/41
• 分類號: G01S7/41
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 王品華;朱紅星

技術領域

本發明屬于雷達信號處理技術領域，特別涉及壓縮感知和米波雷達測高方法，可用于目標跟蹤。

背景技術

國內外雷達界普遍認為，米波雷達具有反隱身能力。米波雷達由于其波長較長，波束寬，特別是在測量低角目標時，波束打地、地面反射強、目標的多徑現象嚴重，導致米波雷達測高精度低，甚至完全失效。雷達接收信號中除低層大氣的不均勻性引起的電波折射效應外，還有地面、海面產生的鏡面反射和漫散射引起的多徑干涉效應。多徑干涉對雷達低仰角測量精度產生很大的影響，直達波和多徑反射波信號具有強相關性；目標直達波入射角和多徑反射波入射角的夾角很小，通常位于一個波束寬度之內；波瓣分裂會引起接收信號的電平閃爍，信噪比波動較大。低仰角時地形起伏對測量結果的影響很大，尤其是在海情比較大的海面或復雜地帶的陸地，地（海）面反射雜波較強，目標信號往往淹沒在雜波中，而且雜波的非平穩性和尖峰會導致虛警概率迅速增大。因此在多徑環境下難以測高，故米波雷達的測高問題一直是雷達界尚未很好解決的難題。

為較好地解決米波測高難題，所采取的主要技術途徑主要有：1.增大天線尺度特別是增大天線在高度維的孔徑，以減小天線在垂直維的波束寬度，提高角度分辨率，對于較高的仰角，使波束“不打地”完成高度測量；2.適當增高天線的架設高度，減小波束上翹，以利于探測低空目標。但是對于低空目標，“多徑”問題是無法避開的。

目前，對于米波雷達的測高方法主要有以下三類：

（1）多頻波瓣分裂測高法。這種方法利用多個工作頻率時分工作，其理論可行，但要求多個頻率的工作帶寬較寬，系統復雜，目前還沒有這種實用系統。

（2）基于波瓣分裂的米波雷達測高方法。這種方法利用不同天線分裂波瓣的相位關系，確定目標所在仰角區間，對接收信號進行比幅處理提取歸一化誤差信號，最后根據歸一化誤差信號和仰角區間查表得到目標的高度。其在地面起伏的均方差不超過1m，信噪比達到16dB，測高精度可以達到距離的1%。陳伯孝等在2007年6月在《電子學報》上發表的論文“基于波瓣分裂的米波雷達測高方法”。這是一種在垂直維只需3根天線的米波雷達的低仰角測高方法。該方法只適合于平坦陣地，且對陣地的平坦性要求較高，測高精度也只能達到距離的1%，難以滿足一些精度較高的實際使用要求。

（3）陣列超分辨處理測高方法。這種方法是把陣列信號處理中的超分辨技術應用于分辨直達波信號和多徑信號。包括特征子空間算法和最大似然算法。其中：

特征子空間類算法，應用于低仰角測高時必須面對多徑傳播所引起的直達波和多徑信號的相干問題。但當信號源完全相干時，數據協方差矩陣的秩將為1，相干源的存在使信號子空間與噪聲子空間相互滲透，導致某些相干源的導向矢量與噪聲子空間不完全正交，這會使得很多經典特征子空間類算法的性能下降，甚至完全失效。

最大似然類算法思想簡單，性能優越，在高信噪比和低信噪比下均有很好的性能，但是似然函數求解是一個非線性的多維最優化問題，需要進行多維網格搜索，計算量隨著目標個數的增加呈指數增長，實現過程較復雜。例如，趙光輝等人于2009年2月在《電子與信息學報》發表的論文“基于差分預處理的米波雷達低仰角處理算法”和胡鐵軍等人于2009年8月在《電波科學學報》發表的論文“陣列內插的波束域ML米波雷達測高方法”，以及楊雪亞等人于2011年9月在《雷達科學與技術》發表的論文“米波雷達最大似然超分辨測高技術研究”。

上述方法中，方法1難以實現；方法2只適用于平坦陣地，且精度差，無法滿足實際需求；方法3運算量大，要求樣本數多，在多徑環境下性能下降，甚至失效。因此在處理低仰角測高問題過程中，現有的各種測高方法實效性差，不再適用。

發明內容

本發明的目的在于針對上述已有技術的不足，提出一種基于陣列內插壓縮感知的米波雷達測高方法，以進一步降低運算量，提高低信噪比情況下波達方向DOA的測角精度。

為實現上述目的，本發明的技術思路是:

通過對M個陣元進行陣列內插，得到陣元為P,P＞＞M,的虛擬陣列，從而提高陣列量測信號的維數，然后對虛擬陣列的量測信號進行壓縮采樣，最后通過稀疏重構得到目標波達方向。

具體實現步驟包括如下：

（1）從雷達回波中提取目標信號，得到真實陣列的陣列流型矩陣V，并對該目標信號進行雜波對消和干擾對消處理，得到對消后目標信號x和空域稀疏信號S，對消后目標信號x與空域稀疏信號S的關系如下：

x=ψS+n，

其中，ψ表示超完備冗余字典，其長度為c，n表示高斯白噪聲；