[发明专利]基于压缩采样阵列的空频二维谱估计方法

说明书

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，特别涉及一种空频二维谱估计方法，可用于雷达、侦察一体化系统。

背景技术

在雷达、侦察一体化系统中，天线阵列接收到的信号，分别进入各个通道的射频前端，而射频前端主要完成低噪放大、可变增益控制、混频、中频放大等功能，由于系统有测向功能，射频前端需要有较好的相位一致性。

中频信号从射频前端进入数字信号处理分系统，首先，经过模数转换A/D变换，再送给现场可编程门阵列FPGA，在现场可编程门阵列FPGA中进行高速缓存和预处理；由于系统带宽要达到1GHz，因此先对中频信号进行信道化，对信道化后的信号进行自相关，求得信号的幅度；再与自适应门限比较进行信号检测，进而将非弱信号段提取出来，送给数字信号处理器DSP进行波达方向DOA估计；然后，由数字信号处理器DSP将计算的测向结果和用于波束形成的权值传输给现场可编程门阵列FPGA，在现场可编程门阵列FPGA中进行数字波束合成；最后，进行传统的信号处理，包括信号的分选、信号脉内特性分析等。

在传统的阵列信号处理系统框架中，每个通道都包含了低噪声放大、增益控制、下变频、带通滤波、模数转换ADC等电路，为了提高波达方向DOA估计的精度，通道的数量会不断的增大，随着通道的增加，模拟部分的电路设备量会急剧增大。系统通常具有很高的采样率和很多的通道数，这就需要使用大量的高速模数转换ADC和更大规模的现场可编程门阵列FPGA，从而导致系统的功耗、体积急剧增大，并且在采样阶段出现瓶颈，尤其是在大采样率和多通道时，由于数据量非常惊人，使得数据存储也变得异常困难。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出基于基于压缩采样阵列的宽带空频二维谱估计方法，以降低采样速率和通道的数量，减小数字信号的数据量。

本发明的技术关键是同时对空域-频域进行压缩，其实现步骤包括如下：

1、一种基于压缩采样阵列的空频二维谱估计方法，包括以下步骤：

1)采用具有N_l个天线的接收机采集到的N_l×N_t维信号作为输入信号矩阵X，定义每个天线为一个阵元，记为i；设阵元i到阵元1的间距为d_i，并假设有R个信号同时入射到该天线接收机形成的随机线性阵列上，其中，i＝1,2,…,N_l，N_t是时间总长度，1≤R≤N_l；

2)将输入信号矩阵X依次经过空域压缩、模拟信息转换和模数转换，生成观测矩阵Y；

3)构造频域基矩阵F：

3a)将载频搜索范围分为N_f份，每一份用表示为：

其中，是信号频率f_q的一个傅里叶基向量，q＝1,2,…,N_f；ω_q是归一化信号角频率，ω_q＝2π(f_q/F_s)，F_s是奈奎斯特采样频率，且N_t＝TF_s，T是时间观察窗，j表示虚数，[·]^Τ表示向量的转置；

3b)在频域设置一个大小为N_t×N_f维的傅里叶基矩阵F：

其中，

4)信号模型的建立及求解：

4a)在时域范围内设置一个服从高斯随机分布的M_t×N_t维时域压缩矩阵Φ_b，其中，Φ_b表示以M_t/N_t的奈奎斯特采样率的模拟信息转换器AIC采样，M_t是输入信号矩阵X经空域压缩后的列数，且M_t＜N_t；

4b)设Z_f是大小为N_f×M_l的联合稀疏矩阵：其中，z(f_l)对应一个信号的频域表示，f_l是经过以M_t/N_t为奈奎斯特的AIC模拟信息转换器采样后的频率，且

4c)在频域范围内，依据宽带空频二维压缩采样矩阵得到信号模型：

Y^T＝Φ_bFZ_f；