[发明专利]基于互质MIMO雷达差集和集信号快速傅里叶变换的波达方向估计方法

说明书

本发明公开了一种基于互质MIMO雷达差集和集信号快速傅里叶变换的波达方向估计方法，主要解决现有方法计算复杂度较高的问题。其实现步骤是：构建互质MIMO雷达结构；通过雷达接收子阵列接收反射信号并对雷达输出信号建模；构造互质MIMO雷达接收信号对应的二阶差集和集虚拟阵列信号；对二阶差集和集虚拟阵列信号进行二次零填充；对二次零填充后的差集和集虚拟阵列信号进行快速傅里叶变换操作，构建空间谱；根据所得空间谱进行波达方向估计。本发明在降低了波达方向估计计算复杂度的同时，更充分地利用了阵列提供的信息以保证分辨率。

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，尤其涉及对雷达信号、声学信号及电磁信号的统计信号处理，具体是一种基于互质MIMO雷达差集和集信号快速傅里叶变换的波达方向估计方法，可用于有源定位和目标探测。

背景技术

作为阵列信号处理领域的基本问题之一，波达方向(Direction-of-Arrival，DOA)估计利用传感器阵列接收信号，并通过对接收信号进行统计处理，从中提取信号中所包含的波达方向信息，在雷达、声呐、语音、无线通信等领域有着广泛应用。其中，利用多入多出(Multiple-input Multiple-output，MIMO)雷达进行波达方向估计是一个重要分支。

MIMO雷达利用多个传感器阵列，分别发射正交信号并接收反射信号。在传统的MIMO雷达结构中，接收阵列通常被设置为均匀线性阵列，以此满足奈奎斯特采样定理。然而，均匀线性阵列的设置方式限制了阵列孔径，进而限制了空间分辨率等性能。在此背景下，作为互质阵列结构在MIMO雷达上的应用，互质MIMO雷达充分利用了互质阵列的系统化结构，通过构造具有更大孔径的虚拟阵列，实现了DOA估计性能的提升。

现有基于互质MIMO雷达的DOA估计方法大多针对所构建的虚拟阵列对应的二阶等价虚拟信号进行一系列复杂运算，主要包括求逆、特征值分解等复杂的矩阵运算，以及凸优化问题的设计与求解等高复杂度过程，这些运算过程计算复杂度高，在实际系统中的硬件实现较为复杂，且在实时性要求较高的应用场景下面临一定的挑战。此外，由于互质MIMO雷达构造的虚拟阵列中的阵元存在不均匀性，现有的基于互质MIMO雷达的DOA估计方法主要分为两类：一类仅利用虚拟阵列中均匀连续部分的虚拟阵元而舍弃非连续部分，由此导致了一定的性能损失；另一类则通过较为复杂的内插与重建技术对缺失部分进行恢复，由此导致了算法复杂度的上升。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种基于互质MIMO雷达差集和集信号快速傅里叶变换的波达方向估计方法，通过对互质MIMO雷达的二阶差集和集信号进行简单的二次零填充，并进行快速傅里叶变换，利用了虚拟阵列的全部阵元，实现了波达方向估计分辨率性能的提升。此外，本发明所提方法操作简单，计算复杂度低，易于在实际系统的硬件实现。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于互质MIMO雷达差集和集信号快速傅里叶变换的波达方向估计方法，包含以下步骤：

(1)利用M+N个实际阵元构建互质MIMO雷达结构，构建方法如下：选取一组互质的整数M、N，分别用于构造发射子阵列和接收子阵列，其中，发射子阵列包含M个间距为Nd的阵元，其位置为0，Nd，...，(M-1)Nd；接收子阵列包含N个间距为Md的阵元，其位置为0，Md，...，(N-1)Md；d为发射子阵列发射信号的半波长即发射子阵列和接收子阵列部署为单基地雷达的形式；

(2)利用步骤(1)中构建的发射子阵列发射M个正交信号；假设空间远场中有Q个目标，其相对于雷达的方向表示为θ＝[θ₁，θ₂，…，θ_Q]^T，[·]^T表示转置操作；该M个信号被空间中Q个目标反射后，其反射信号被接收子阵列的N个阵元接收，经过匹配滤波后，在t时刻雷达输出信号x(t)可建模为：