基於壓縮感知的MIMO雷達波形分離方法與流程
2023-10-10 04:21:29
本發明屬於雷達技術領域，尤其涉及一種基於壓縮感知的mimo雷達波形分離方法。
背景技術：
多輸入輸出(multiple-inputmultiple-output,mimo)雷達採用多發多收體制，各個發射天線輻射相互正交的波形，每個接收天線接收所有發射信號並在後端對不同發射波形對應的回波分量進行分離，從而能夠得到遠多於實際收、發陣元數目的觀測通道和自由度。利用mimo雷達形成的虛擬陣列，有望實現短時觀測甚至單快拍照射下的運動目標成像，從而避免複雜的平動補償問題。
波形分離是mimo雷達信號處理的基礎，直接影響後續成像的效果。mimo雷達通常在每個接收端設計一組與發射波形相匹配的濾波器組，從而實現對回波中不同波形分量的分離。在mimo雷達成像中，發射波形通常採用同頻碼分信號。但由於不同發射波形之間無法保證完全正交，使得傳統的匹配濾波輸出存在嚴重的互耦噪聲，大大影響了距離向分辨性能。當前解決辦法主要是通過波形設計來獲得正交性能更好的波形集，但由於完全正交的同頻碼分信號是不存在的，因此通過波形設計無法根本上解決發射波形的互耦噪聲問題。另一類解決辦法是通過波形分離方法來改善非正交波形的分離效果。現有波形分離方法主要有設計失配濾波器來代替傳統的匹配濾波器和基於clean思想的圖像域波形分離等方法，但這些分離方法都僅在特定的條件下適用且對分離結果的改善效果有限。
壓縮感知(compressivesensing，cs)理論是一種全新的信號採樣、編碼與壓縮理論，其核心思想是將壓縮與採樣合併進行，利用目標稀疏特性以遠低於奈奎斯特採樣數量的採樣值高概率恢復原始信號。cs理論已在雷達領域得到了廣泛應用，但目前還沒有應用於mimo雷達波形分離中。
技術實現要素：
本發明的目的就在於為了解決上述問題而提供一種基於壓縮感知的mimo雷達波形分離方法。
為實現上述目的，本發明採取的技術方案為：利用目標波離角(directionofdeparture，dod)和波達角(directionofarrival，doa)估計信息，實現收發通道回波包絡對齊；基於目標一維距離像稀疏性，構建感知矩陣，利用聯合稀疏恢復算法統一實現多接收通道回波的波形分離。其實現步驟包括如下：
s1、發射正交波形
設為第m個基帶發射波形，t為快時間，m＝0,1,…,m-1。對發射波形進行延時發射，第m個發射陣元tm的發射信號為其中：f為載頻，為第m個發射波形的發射時延，c為波速，為第0個發射陣元到第m個發射陣元的位置矢量，nt為目標dod方向單位矢量。
s2、接收目標回波
s21、設為第n個接收陣元接收到的回波信號，n＝0,1,…,n-1，對接收回波進行包絡時延，回波信號為其中,為第n個接收陣元的包絡時延，為第0個接收陣元到第n個接收陣元的位置矢量，nr為目標doa方向單位矢量。
s22、對回波yn(t)進行離散採樣得到yn(i)，其中，t＝i/fs,i＝0,1,…,i-1，fs為雷達採樣頻率，i為採樣數。
s3、構建感知矩陣
s31、設雷達視線方向上的成像範圍為δr，對距離向成像區域進行離散化，離散化單元個數為k＝2δr·fr/c，其中fr為距離向採樣頻率，通常fr＝a·fs，a＝1,2,…。
s32、利用採樣頻率fr對發射信號進行離散採樣，τk為第k個離散化單元對應的時延，k＝0,1,…,k-1；採樣後信號的向量形式為j為發射信號對應採樣點數。
s33、構建發射波形集基矩陣其中，為第m個發射波形對應的基矩陣。
s34、構建觀測矩陣ψ是通過從j×j的單位矩陣中以a-1為間隔均勻抽取i個行向量構成。
s35、構建感知矩陣
s4、稀疏重構目標一維距離像
s41、構建第n個接收通道對應的波形分離結果
其中，為第m個發射波形對應的分離結果(即一維距離像)，ρk,mn為第k個距離單元目標對第m個發射波形的調製函數。
s42、將第n個接收通道回波採樣信號yn(i)表示為向量形式：
yn＝ξθn
其中，n＝0,1,…,n-1。進一步將所有接收通道回波信號統一表示成一個多觀測向量模型
y＝ξθ
其中，
s43、利用聯合稀疏恢復算法求解以下正則化代價函數的最小化問題
其中，||·||f代表矩陣的frobenius範數，κ是一個正則化參數，為反映θ聯合稀疏性的代價函數，0≤p≤1,q≥1，θj·為θ的第j個行向量，
以m-focuss算法為例(q＝2)求解以上最小化問題，具體步驟為：
(1)令初始值θ＝ξh(ξξh)-1y，其中,(·)h,(·)-1分別為矩陣的共軛轉置和矩陣的逆；
(2)第l次迭代運算過程為
wl+1＝diag(wl[j]1-p/2),其中,
qk+1＝(ξl+1)h[ξl+1(ξl+1)h+κi]-1y,其中,ξl+1＝ξwl+1,κ＞0；
θl+1＝wl+1ql+1.
(3)當滿足以下條件時，停止迭代
其中，ξ是與噪聲水平有關的一個參數。
s44、將重構結果θ重新排列，得到各收發通道的分離結果(一維距離像)ρ·mn，m＝0,1,…,m-1，n＝0,1,…,n-1。
本發明的有益效果在於：
本發明是一種基於壓縮感知的mimo雷達波形分離方法，與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：
(1)本發明利用cs恢復算法直接重構不同波形分量對應的目標一維距離像，有效抑制了波形非正交帶來的距離向高旁瓣，大大改善了分離效果；
(2)利用一次聯合稀疏恢復求解，即可實現所有收發通道的一維距離像重構，替代了多通道的匹配濾波器組，降低了成本、提高了效率；
(3)突破了信號帶寬對距離解析度的限制，實現了距離向的超分辨。
附圖說明
圖1為本發明實施例對單散射點目標第1個接收通道回波的分離結果。
圖2為本發明實施例對多散射點目標第1個接收通道回波的分離結果。
圖3為本發明實施例對多散射點目標所有接收通道回波的分離結果。
圖4為本發明實施例對多散射點目標的二維成像結果。
圖5為本發明的方法流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步說明：
如圖5所示：本發明實施例提供了一種壓縮感知的mimo雷達波形分離方法，包括如下步驟：
s1、根據目標dod信息，計算各發射通道的時延，發射正交波形；
s2、根據目標doa信息，計算各接收通道的時延，對各接收通道回波包絡進行時延，並對回波進行離散採樣；
s3、對距離向成像區域進行離散化，根據發射波形集構建感知矩陣；
s4、將所有接收通道信號表示為多觀測向量形式，利用聯合稀疏恢復算法重構各收發通道對應的一維距離像。
實施例
mimo雷達採用一個2發20收的均勻線陣，陣列位於x軸上。發射陣元坐標分別為[-60,0]m和[60,0]m，接收陣元以原點為中心間隔6m對稱分布。發射波形採用文獻[1]中的2個40碼元4相相位編碼信號，子脈衝寬度5ns，對應帶寬200mhz，距離解析度0.75m；發射載頻10ghz，回波採樣頻率1ghz。距離向成像範圍30m，距離向採樣頻率1ghz。分別採用一個單散射點目標和一個由11個散射點構成的多散射點目標，目標dod/doa方向單位矢量均為[0.5145,0.8575]。
其中，文獻[1]為h.deng.polyphasecodedesignfororthogonalnettedradarsystems.ieeetrans.signalprocess.,2004,52(11):3126-3135.
圖1給出了單散射點目標時，第1個接收通道回波的分離結果。圖1(a)、(b)分別為第1個pcm發射信號和第2個pcm發射信號對應的分離結果。從圖中可以看到，匹配濾波波形分離結果中存在較高的旁瓣，而壓縮感知波形分離結果中旁瓣水平很低；同時壓縮感知波形分離結果的主瓣寬度明顯低於匹配濾波波形分離結果的主瓣寬度。
圖2為多散射點目標時，第1個接收通道回波的分離結果。圖2(a)、(b)分別為第1個pcm發射信號和第2個pcm發射信號對應的分離結果。可以看到，對於多散射點目標，匹配濾波波形分離效果嚴重下降，而壓縮感知方法仍能實現不同波形分量的有效分離。
圖3為多散射點目標時，所有接收通道回波的分離結果。圖3(a)、(b)分別為匹配濾波方法和壓縮感知的分離結果，圖中前20個收發通道對應第1個pcm信號分離結果，後20個收發通道對應第2個pcm信號分離結果。可以看到在所有收發通道，壓縮感知方法均獲得了優於匹配濾波方法的分離效果。
圖4為對所有接收通道作傅立葉變換後的多散射點目標二維成像結果。圖4(a)、(b)分別為匹配濾波方法和壓縮感知方法的成像結果。可以看到相比匹配濾波方法，壓縮感知方法有效抑制了圖像的距離向旁瓣，提高了距離向解析度。
以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特徵及本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。