[發明專利]基于塊Hankel矩陣填充的陣元故障MIMO雷達角度估計方法

有效

• 申請號: 201811599113.2
• 申請日: 2018-12-26
• 公開（公告）號: CN109782243B
• 公開（公告）日: 2022-06-24
• 發明（設計）人: 陳金立;張廷瀟;李家強
• 申請（專利權）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: G01S7/41
• 分類號: G01S7/41
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 朱小兵

本發明公開了一種基于塊Hankel矩陣填充的陣元故障MIMO雷達角度估計方法。該方法首先利用虛擬陣列協方差矩陣的列向量構造具有二重Hankel結構的矩陣，并以各個列向量所構成的矩陣為子矩陣，形成具有四重Hankel結構的塊Hankel矩陣，使得構造后的塊Hankel矩陣的每行每列均有采樣元素，并且滿足低秩性，利用矩陣填充填補塊Hankel矩陣中的缺失數據；然后，對恢復后的塊Hankel矩陣中的相應冗余元素取均值；最后對已不存在數據缺失的塊Hankel矩陣進行反變換，得到完整的虛擬陣列協方差矩陣，并采用基于陣列協方差矩陣的算法(如ESPRIT算法)估計目標的DOD和DOA。本發明能有效恢復陣元故障的MIMO雷達虛擬陣列協方差矩陣中的大量缺失數據，提高了發射或接收陣元故障時的角度估計性能。

技術領域

本發明屬于雷達角度估計領域，尤其涉及一種基于塊Hankel矩陣填充的陣元故障MIMO雷達角度估計方法。

背景技術

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)雷達是近年發展起來的一種新體制雷達，該雷達在發射端使用多個天線發射相互正交的信號來探測目標，并對接收端的每個接收陣元進行匹配濾波處理，形成大量虛擬陣元以擴展陣列孔徑，從而增大了雷達對目標觀測的自由度和提高了目標參數估計性能。與傳統的相控陣雷達相比，MIMO雷達在目標檢測與參數估計、探測波形設計的靈活性、抗截獲以及干擾抑制等方面具有顯著優點。根據收發陣列配置的不同，MIMO雷達可分為統計MIMO雷達與單(雙)基地MIMO雷達。統計MIMO雷達的收發陣列中陣元間距足夠大，使每一對收發陣元的目標回波都相互獨立，這樣可通過非相干積累使目標的雷達橫截面積(RCS)平均近似恒定，降低目標的RCS起伏對雷達目標檢測性能的影響，從而獲得較大的空間分集增益。另一類單(雙)基地MIMO雷達的收發陣列結構與傳統相控陣雷達類似，其特點是收發陣列中陣元間距小，利用波形分集技術與多個通道相干處理的方法增加系統的自由度，從而提高目標角度等參數的估計性能，與傳統相控陣雷達相比，該類雷達能提高最大可分辨目標數，且該類雷達使用的脈沖積累技術使頻域分辨率得到提高，改善了慢速目標檢測性能。雖然統計MIMO雷達利用空間分集技術使目標檢測性能優于單(雙)基地MIMO雷達，但統計MIMO雷達的雷達站間相位同步、與中央處理器的數據同步等問題還難以解決，而單(雙)基地MIMO雷達中的波形分集技術比空間分集技術更易實現，并且單(雙)基地MIMO雷達在速度分辨力和抗截獲等方面更占優，因此雙基地MIMO雷達受到越來越多學者的關注。

目標方位角估計是陣列信號處理中的一個主要研究方向，雙基地MIMO雷達采用空間分置的收發陣列，在接收端能獲得目標的發射方位角(Direction of departure,DOD)和接收方位角(Direction of arrival,DOA)等信息，針對雙基地MIMO雷達目標角度估計問題，學者們提出了利用虛擬陣列協方差矩陣進行目標角度估計的MUSIC、Capon、ESPRIT算法等，其中ESPRIT算法因避免二維譜峰搜索，大幅降低了運算量而得到廣泛應用。在實際應用中由于雷達元器件的壽命限制以及自然環境惡劣等因素，雷達的收發陣列不可避免地會出現故障陣元，發射陣列中的故障陣元降低了雷達的發射功率，接收陣列中的故障陣元無法正常接收目標回波信號，因此故障陣元的存在使雷達有效探測距離縮短，對微弱目標的檢測性能下降。雖然雷達的故障陣元可以進行更換維修，但是在星載平臺和戰場環境下維修雷達中故障陣元是不切實際的。在雙基地MIMO雷達中，發射或接收陣列中的某個陣元出現故障會使虛擬陣列中一組陣元消失，這會使得虛擬陣列輸出信號矩陣出現一些整行數據的缺失，致使虛擬陣列協方差矩陣中出現一批整行和整列的數據缺失，從而導致基于協方差矩陣的目標角度估計算法性能下降，甚至失效。