[發明專利]基于互質MIMO雷達差集和集信號快速傅里葉變換的波達方向估計方法

有效

• 申請號: 201811218661.6
• 申請日: 2018-10-18
• 公開（公告）號: CN109471087B
• 公開（公告）日: 2021-01-12
• 發明（設計）人: 張宗煜;史治國;周成偉;陳積明
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01S7/42
• 分類號: G01S7/42
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜;邱啟旺

本發明公開了一種基于互質MIMO雷達差集和集信號快速傅里葉變換的波達方向估計方法，主要解決現有方法計算復雜度較高的問題。其實現步驟是：構建互質MIMO雷達結構；通過雷達接收子陣列接收反射信號并對雷達輸出信號建模；構造互質MIMO雷達接收信號對應的二階差集和集虛擬陣列信號；對二階差集和集虛擬陣列信號進行二次零填充；對二次零填充后的差集和集虛擬陣列信號進行快速傅里葉變換操作，構建空間譜；根據所得空間譜進行波達方向估計。本發明在降低了波達方向估計計算復雜度的同時，更充分地利用了陣列提供的信息以保證分辨率。

技術領域

本發明屬于信號處理技術領域，尤其涉及對雷達信號、聲學信號及電磁信號的統計信號處理，具體是一種基于互質MIMO雷達差集和集信號快速傅里葉變換的波達方向估計方法，可用于有源定位和目標探測。

背景技術

作為陣列信號處理領域的基本問題之一，波達方向(Direction-of-Arrival，DOA)估計利用傳感器陣列接收信號，并通過對接收信號進行統計處理，從中提取信號中所包含的波達方向信息，在雷達、聲吶、語音、無線通信等領域有著廣泛應用。其中，利用多入多出(Multiple-input Multiple-output，MIMO)雷達進行波達方向估計是一個重要分支。

MIMO雷達利用多個傳感器陣列，分別發射正交信號并接收反射信號。在傳統的MIMO雷達結構中，接收陣列通常被設置為均勻線性陣列，以此滿足奈奎斯特采樣定理。然而，均勻線性陣列的設置方式限制了陣列孔徑，進而限制了空間分辨率等性能。在此背景下，作為互質陣列結構在MIMO雷達上的應用，互質MIMO雷達充分利用了互質陣列的系統化結構，通過構造具有更大孔徑的虛擬陣列，實現了DOA估計性能的提升。

現有基于互質MIMO雷達的DOA估計方法大多針對所構建的虛擬陣列對應的二階等價虛擬信號進行一系列復雜運算，主要包括求逆、特征值分解等復雜的矩陣運算，以及凸優化問題的設計與求解等高復雜度過程，這些運算過程計算復雜度高，在實際系統中的硬件實現較為復雜，且在實時性要求較高的應用場景下面臨一定的挑戰。此外，由于互質MIMO雷達構造的虛擬陣列中的陣元存在不均勻性，現有的基于互質MIMO雷達的DOA估計方法主要分為兩類：一類僅利用虛擬陣列中均勻連續部分的虛擬陣元而舍棄非連續部分，由此導致了一定的性能損失；另一類則通過較為復雜的內插與重建技術對缺失部分進行恢復，由此導致了算法復雜度的上升。

發明內容

本發明的目的在于針對上述現有技術存在的不足，提出一種基于互質MIMO雷達差集和集信號快速傅里葉變換的波達方向估計方法，通過對互質MIMO雷達的二階差集和集信號進行簡單的二次零填充，并進行快速傅里葉變換，利用了虛擬陣列的全部陣元，實現了波達方向估計分辨率性能的提升。此外，本發明所提方法操作簡單，計算復雜度低，易于在實際系統的硬件實現。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種基于互質MIMO雷達差集和集信號快速傅里葉變換的波達方向估計方法，包含以下步驟：

(1)利用M+N個實際陣元構建互質MIMO雷達結構，構建方法如下：選取一組互質的整數M、N，分別用于構造發射子陣列和接收子陣列，其中，發射子陣列包含M個間距為Nd的陣元，其位置為0，Nd，...，(M-1)Nd；接收子陣列包含N個間距為Md的陣元，其位置為0，Md，...，(N-1)Md；d為發射子陣列發射信號的半波長即發射子陣列和接收子陣列部署為單基地雷達的形式；

(2)利用步驟(1)中構建的發射子陣列發射M個正交信號；假設空間遠場中有Q個目標，其相對于雷達的方向表示為θ＝[θ₁，θ₂，…，θ_Q]^T，[·]^T表示轉置操作；該M個信號被空間中Q個目標反射后，其反射信號被接收子陣列的N個陣元接收，經過匹配濾波后，在t時刻雷達輸出信號x(t)可建模為：