[发明专利]基于互质双频的稀疏嵌套MIMO阵列DOA估计方法

摘要

本发明公开了一种基于互质双频的稀疏嵌套MIMO阵列DOA估计方法，通过分别工作在两个呈互质关系的频率，获取两个互质频率的目标回波数据矩阵，拼接成一个数据矩阵后计算其相关矩阵，根据互质双频和协同阵中虚拟阵元位置差与相关元素的一一对应关系，从相关矩阵中提取对应连续的虚拟阵元位置差的相关元素形成相关行向量，利用相关矩阵重建解相干的方法，先扩张为下三角的相关矩阵，再形成解相干的重建相关矩阵，据此通过MUSIC算法实现对相干与非相干目标DOA的联合估计。该方法具备阵元互扰小、大收发阵列孔径高分辨等优点，并且进一步提升了最大可分辨目标数目。

主权项

1.一种基于互质双频的稀疏嵌套MIMO阵列DOA估计方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)设置一雷达，且雷达探测区域内有未知数量的目标；所述雷达包括构成一个稀疏嵌套MIMO阵列的M个发射阵元和N个接收阵元，其中发射阵元位置为{0,αd,2αd,…,(M‑1)αd}，接收阵元位置为{Mαd,2Mαd,3Mαd,…,NMαd}，其中α为大于1的整数，d＝c/2f0，f0为雷达的参考工作频率，c为光速，所述稀疏嵌套MIMO阵列对应有参考和协同阵；(2)M个发射阵元同时辐射频率为f₀的电磁波信号，N个接收阵元同时收集所有目标的散射回波信号，获得M×N个收发通道的回波信号，将每个通道的回波信号经匹配滤波和K个采样后，按照参考和协同阵中虚拟阵元的位置分布，形成在频率f₀时的MN行、K列的数据矩阵每一行为一组收发阵元对应的K个采样数据，且每一行对应一个参考虚拟阵元位置，所述参考虚拟阵元位置为该组收发阵元位置之和；(3)构建等效和协同阵虚拟阵元；(31)在额外工作频率f_a＝βf₀/α下重复步骤(2)，形成在频率f_a时的MN行、K列的数据矩阵其中β为大于1的整数，且与α互质；(32)将频率为f_a的数据矩阵等效为一频率为f₀的等效稀疏嵌套MIMO阵列的数据矩阵所述等效稀疏嵌套阵列对应有等效收发阵元，所述等效收发阵元对应有等效和协同阵；(33)每一行为一组等效收发阵元对应的K个采样数据，且每一行对应一个等效和协同阵中等效虚拟阵元的位置，所述等效虚拟阵元位置为该组等效收发阵元位置之和；(4)将参考工作频率f₀时的数据矩阵和额外工作频率f_a时的数据矩阵按下式拼接成一个2MN行、K列的数据矩阵X；该数据矩阵对应双频和协同阵，且每一行对应一个双频和协同阵虚拟阵元的位置；(5)根据公式得到一2MN行、2MN列的相关矩阵R_xx，上标H表示转置共轭，所述R_xx中每个元素对应两个虚拟阵元位置，将每个元素的两个虚拟阵元位置求差值，得到以d为增量从0延伸至(P‑1)d的P个差值，将相同差值对应的元素分为一类，得到P类元素；从P类中数据中各抽取一个元素，按差值从小到大排列成一个相关行向量r＝[r(0),r(1),r(2),…,r(P‑1)]，其中，P＝MNβ+Mβ‑2Mα+α‑β；(6)将相关行向量r扩张为一个P行、P列的下三角相关矩阵Ra；(7)将下三角相关矩阵R_a与其转置共轭矩阵进行求和平均，得到解相干的重建相关矩阵R_n，即(8)对重建相关矩阵Ra进行特征值分解，根据获得的特征值大小确定目标个数Q，提取P‑Q个小特征值对应的特征列向量，组成P行、P‑Q列的噪声矩阵Un；(9)设置操纵矢量为其中k₀＝2πf₀/c，上标T表示转置，根据MUSIC算法，构造空间谱搜索函数为：控制θs在[‑90°～90°]的区间内以Δθ等间隔离散取值，分别计算对应的P(θs)，其峰值对应的角度作为目标所在方向角的估计值。