[發明專利]基于壓縮感知的波束空間域米波雷達測高方法

有效

• 申請號: 201310241319.9
• 申請日: 2013-06-18
• 公開（公告）號: CN103353596A
• 公開（公告）日: 2013-10-16
• 發明（設計）人: 陳伯孝;武宇娟;朱偉;楊明磊
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G01S13/08
• 分類號: G01S13/08
• 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，可用于目標的高分辨波達方向DOA估計和定位。

背景技術

米波雷達測高方法是陣列信號處理中的一個重要研究方向，在雷達、通信、聲納和導航等領域都得到了廣泛的應用和研究。國內外雷達界普遍認為，米波雷達具有反隱身能力。但是米波雷達因受波長長、天線尺寸和架高有限等因素的限制，使得天線波束寬度寬、角分辨力低，更重要的是因地、海面反射即所謂“多徑”問題使其難以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，最主要的技術途徑是增大天線在高度維的孔徑，以減小天線垂直面的波束寬度。而對于低空目標，即使增大天線在高度維的孔徑，也無法避開“多徑”問題。

目前，針對米波雷達的測高方法主要有以下四種：

1.多頻平滑法。這種方法采用頻率分集技術，通過改變雷達的工作頻率而改變測角誤差，多個頻率誤差的平均就可以減小測角誤差。但只是靠多次平滑來減小測角誤差，其測角精度仍然較差。當目標距離較近時需要的變頻帶寬小，效果不錯，然而對于遠距離目標要想獲得良好的估計性能需要變頻帶寬大于50%，這很難滿足。

2.相關高度分析法。這種方法是根據目標的高度特性和多徑反射模型，在所有可能的目標高度處模擬雷達接收數據，構造關于目標測量高度和估計高度的相關函數，可以證明只有在目標真實高度處，相關函數的值達到最大，從而實現精確測高和跟蹤，該方法容易出現測高模糊，很可能在多個高度上相關函數都取得最大值。

3.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。

4.陣列超分辨處理測高方法。這種方法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。目前使用超分辨算法進行米波陣列雷達低仰角測高主要集中在兩個方面：一是特征子空間類算法；二是最大似然及子空間擬合算法。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，陣列接收的數據協方差矩陣的秩將為1，這會導致信號子空間的維數小于信號源數，即相干源的存在使信號子空間與噪聲子空間相互滲透，因而導致某些相干源的導向矢量與噪聲子空間不完全正交，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。

上述方法中，方法1精度較差；方法2容易出現測高模糊；方法3只適用于平坦陣地，且精度差，無法滿足實際需求；方法4運算量大，要求樣本數多，在多徑環境下性能下降，甚至失效，并且該方法是建立在滿足空域奈奎斯特采樣定理的條件下，即陣元間距必須小于或等于入射信號的半波長，否則會產生柵瓣，從而導致測角模糊。

發明內容

本發明的目的在于針對上述已有技術的不足，提出一種基于壓縮感知的波束空間域米波雷達測高方法，以突破奈奎斯特采樣定理的限制，降低運算量，提高低信噪比下波達方向DOA的測高精度。

為實現上述目的，本發明的技術思路是：利用目標在空域的稀疏性，將目標波達方向DOA估計問題看成是一個稀疏向量的重構問題，在波束空間域上進行壓縮采樣，構建出新的基于壓縮感知的波達方向DOA估計模型，并通過稀疏重構算法來進行稀疏向量恢復，用該稀疏向量的非零元素及其在向量中的位置信息分別表征目標的幅度信息和角度信息，從而得到目標的高分辨波達方向DOA估計。具體實現步驟包括如下：

1）從雷達回波中提取目標信號：

x＝AS₀+n