[发明专利]一种杂波环境中基于稀疏阵列的MIMO雷达宽带DOA计算方法

说明书

本发明公开了一种杂波环境中基于稀疏阵列的MIMO雷达宽带DOA计算方法，属于信号处理领域。具体为WCSAB，在该方法中，用Capon波束形成来抑制杂波干扰，然后联合利用不同窄带信号信息，用CS方法估计目标DOA。考虑到DOA估计性能不仅与波束形成权重值有关，还与稀疏阵列结构有关，本发明提出了波束形成权重值和稀疏阵列的联合优化问题，并给出了一种简单的算法求解这一优化问题。本发明提出的方法可以提高杂波环境中目标DOA估计的性能，包括高分辨率和低旁瓣，稀疏阵列降低了系统成本和复杂性，以目标DOA估计的贝叶斯均方误差(BMSE)为性能评价指标，通过上述算法设计的稀疏阵列结构与穷举法得到的最优稀疏阵列性能相近，且比嵌套阵和互质阵性能更优。

技术领域

本发明属于信号处理领域，它特别涉及杂波环境中基于稀疏阵列的MIMO雷达宽带DOA估计问题。

背景技术

MIMO(Multiple Input Multiple Output)雷达是利用多个发射天线同步地发射信号，同时使用多个接收天线接收回波信号，并集中处理的一种新型雷达系统。相比于传统的相控阵雷达，MIMO雷达具有明显优势，如更高的分辨率，更好的目标检测、定位和跟踪性能，更好的目标参数估计和识别能力。DOA估计研究是阵列信号处理中的一项重要内容，其应用涉及雷达、通信、声呐、射电天文、勘测、地震以及生物医学等领域。目前已有多种经典的DOA估计方法，如多信号分类(Multiple Signal Classification,MUSIC)，基于旋转不变技术的信号参数估计(Estimation of Signal Parameters via Rotational invariancetechniques,ESPRIT)等。近年来，压缩感知(Compressive Sensing,CS)理论得到了国内外学者的广泛关注，相对于传统的方法，基于CS的MIMO雷达DOA估计在较少采样数据和低信噪比条件下拥有更好的估计性能。

根据传统的阵列信号处理理论，为了保证DOA估计的唯一性，阵列中相邻阵元间距要小于或等于入射信号半波长，满足这一条件的阵列称为满阵。阵列的空间分辨率与阵列孔径有关，提高分辨率需要增大阵列孔径，在满阵中，这意味着需要更多的天线。然而，由于实际中软硬件资源的约束，天线的数目通常是受限的。为了增大阵列孔径，同时不增加天线个数，稀疏阵列引起了广泛的关注。当目标在观测空间是稀疏时，稀疏阵列能够准确的估计出目标DOA。然而，在杂波环境中，目标在观测空间的稀疏性会遭到破坏，从而导致DOA估计性能下降。

考虑到宽带信号具有信息量大、抗干扰能力强、分辨率高等优点，比较有代表性的宽带DOA估计方法有非相干信号子空间(ISSM)和相干信号子空间(CSSM)等。ISSM将宽带信号分成频带上的多个窄带信号，然后分别对每个窄带信号进行处理，最后对所有窄带信号处理的结果求平均得到最终的估计结果，这种方法计算量大，且在低信噪比时估计性能差。CSSM是通过聚焦将不同频率窄带信号的协方差矩阵变换到一个参考频率，然后再用窄带估计方法得到最终结果。但是CSSM需要对目标DOA预估，且性能受预估精度的影响很大。

发明内容

本发明提供了一种杂波环境中基于稀疏阵列的MIMO雷达宽带DOA估计方法，具体为WCSAB(wideband compressive sensing after beamforming)，在该方法中，用Capon波束形成来抑制杂波干扰，然后联合利用不同窄带信号信息，用CS方法估计目标DOA。考虑到DOA估计性能不仅与波束形成权重值有关，还与稀疏阵列结构有关，本发明提出了波束形成权重值和稀疏阵列的联合优化问题，并给出了一种简单的算法求解这一优化问题。

本发明技术方案为一种杂波环境中基于稀疏阵列的MIMO雷达宽带DOA计算方法，该方法包括：

步骤1：设发射天线位置确定，放置接收天线的可行域为[0,D_r]，为了简化分析，将可行域以间隔Δ_r离散化为N_r个格点，且有N个接收天线放置在其中一些格点上，N＜＜N_r；