[发明专利]基于MUSIC算法的单基地展开互质阵列MIMO雷达DOA估计方法

说明书

本发明提出了基于MUSIC算法的单基地展开互质阵列MIMO雷达DOA估计方法，首先通过将传统互质阵列按照相反的两个方向展开得到展开互质阵列，进而将展开互质阵列分别作为MIMO雷达的发射阵列与接收阵列进行信号的发射与接收，将整个接收阵列作为一个整体，使用所有接收阵元的接收数据来进行DOA估计，由于同时利用了阵列的自信息以及互信息，因此自由度以及DOA估计精度相较于传统互质阵列DOA方法均有大幅的提高。传统互质阵列DOA估计算法往往不能严格消除相位模糊问题，本发明所提算法由于引入了MIMO雷达，使得产生相位模糊的条件极为严苛，算法严格无相位模糊。

技术领域

本发明属于阵列信号处理领域，主要针对的应用场景是雷达测向系统，主要应用是雷达测向系统中来波方向的高精度测向，即波达方向估计。具体涉及基于MUSIC算法的单基地展开互质阵列MIMO雷达DOA估计算法。

背景技术

波达方向(Direction of Arrival，DOA)估计是阵列信号处理的重要内容，在无线通信，雷达，医学图像，声纳等方面有着重要的应用。多输入多输出(Multiple InputMultiple Output，MIMO)雷达是一种新体制雷达，由美国林肯实验室的Bliss和Forsythe在2003年首次提出，利用MIMO天线技术，发射端配置多根天线发射正交信号，同样，在接收端配置多根天线接收由远场目标反射回来的信号。相较于传统体制的雷达，MIMO雷达在空间分辨率，自由度(Degree of Freedom，DOF)，以及参数的可识别性等方面均有大幅度提升。互质阵列是一种非均匀线阵，相较于均匀线阵，获得了更大的阵列孔径，互质阵空间谱估计算法利用子阵元数目互质特性辨识目标源，因此有更高的测向精度与分辨率。传统的子空间类DOA估计算法最初均是针对均匀线阵提出的，最近的研究则将子空间类算法应用至互质阵列DOA估计中，例如有学者提出了基于MUSIC算法的互质阵列的DOA估计方法，通过两个子阵得到空间伪谱，找到相同的谱峰，即可得到DOA，阵元间距大于半波长而导致的相位模糊问题可由阵元数目的互质性抑制。但是在信源数大于1时存在匹配错误，针对该问题进一步提出了基于ESPRIT算法的DOA估计方法，匹配错误问题得以解决，同时该方法无需谱峰搜索，因此计算复杂度大大降低，同样有学者分别提出了双基地互质阵列MIMO雷达的ESPRIT算法以及酉ESPRIT算法来进行离开角(Direction of Departure,DOD)，到达角的联合估计，实现了低复杂度的估计，且性能均优于传统算法。互质阵列增大了阵列孔径，从而得到了优异的估计性能，但是，上述的方法均是将互质阵列当成两个稀疏的均匀阵列分别进行处理，因此存在以下问题：(1)自由度被子阵阵元数所限制，相较于均匀阵列降低了至少一半；(2)需要进一步的运算来消除模糊性问题。

展开的互质阵列的概念在2017年首次提出，区别于传统互质阵列的地方则是将两个子阵按照相反的方向展开排列，阵列孔径进一步扩展，使用所有的阵元的接收数据构造空间协方差矩阵，随后使用MUSIC算法得到DOA估计，阵元数目的互质，抑制了相位模糊问题。由于同时利用了阵列的自信息以及互信息，因此自由度以及DOA估计精度相较于传统互质阵列DOA方法均有较大的提高。

发明内容

针对传统互质阵列DOA估计算法自由度下降，低信噪比下性能不足，且存在相位模糊问题，本发明首次将展开互质阵列与MIMO雷达相结合，提出了基于MUSIC算法的展开互质阵列单基地MIMO雷达DOA估计方法(Unfolded Coprime MIMO Radar DOA based on MUSIC，UCM-MUSIC)，通过将互质阵列展开成两个相反的方向，得到展开的互质阵列，从而阵列孔径得到提高，进而将展开的互质阵列分别作为发射阵和接收阵，充分的利用了展开互质阵列和MIMO雷达的优点，所提算法得到了更好的DOA估计性能，且自由度得到提高，完全消除了相位模糊问题，且不需要额外的操作进行解模糊。

(一)本发明提出的创新点的基本思路及操作