基于压缩感知的高频地波雷达二维DOA估计

针对高频地波雷达(high frequency surface wave radar, HFSWR)目标角度估计问题,提出了一种基于压缩感知(compressive sensing, CS)的距离多普勒(range Doppler, RD)域单快拍二维波达方向(direction of arrival,DOA)估计方法。分析了在RD域进行DOA估计的理论可行性及单快拍处理的优势;基于子空间追踪思想提出了一种针对L型阵列的二维DOA估计降维后的角度配对和修正方法,在低信噪比和目标回波幅度接近的情况下仍能保证完成正确的匹配并消除无效的角度组合,从而实现精确的二维DOA估计和目标空域分辨。仿真结果和高频地波雷达实测数据的处理结果分别验证了其性能优势和有效性。     

单基地MIMO雷达降维酉ESPRIT算法

波达方向(direction of arrival, DOA)估计问题是单基地多输入多输出(multiple input multiple output, MIMO)雷达信号处理中的一个关键问题。在低信噪比、低快拍数的情况下,常规DOA估计算法的性能会严重下降。针对此问题,提出一种新的DOA估计算法：降维酉旋转不变性信号参数估计技术算法。该算法首先通过降维变换将MIMO雷达数据变换至低维信号空间,然后在该低维信号空间构造实值旋转不变性方程估计目标的DOA。仿真结果表明该方法能够在低信噪比、低快拍数的环境下获得较常规ESPRIT方法更高的DOA估计精度,同时具有更低的运算量。     

一种不依赖超参数的稀疏信号单快拍DOA估计方法

基于传感器阵列输出模型的稀疏重构, 研究了利用单快拍数据进行相干信号波达方向(direction-of-arrival, DOA)估计的问题。定义一个干扰协方差矩阵作为权矩阵, 通过加权最小二乘(weighted least squares, WLS)准则的迭代自适应求解, 实现单快拍DOA高精度估计算法, 简称WLS-IAE算法。详细分析了算法的计算复杂度, 并与经典的稀疏估计类算法进行比较。结果表明作为一种稀疏表示类估计方法, WLS-IAE算法不仅保持了在低信噪比、单快拍、信号相干、信号DOA角度间隔小等非理想条件下的良好估计性能, 而且无需选取超参数, 计算复杂度更低, 具有更强的实时性, 适用于快变目标信号DOA的实时跟踪测量, 具备潜在的工程实用价值。仿真实验验证了提出算法的有效性。     

基于TLS-CS的外辐射源雷达超分辨DOA估计方法

针对外辐射源雷达中，传统基于压缩感知（compressed sensing，CS）的超分辨波达方向（direction of arriving，DOA）估计方法在阵列天线存在幅相误差时测角精度差和目标分辨性能低的问题，提出一种基于总体最小二乘（total least squares，TLS）-CS的超分辨DOA估计方法。首先，通过奇异值分解方法求解TLS信号模型来修正阵列天线的幅相误差；然后利用贪婪迭代追踪算法进行CS稀疏重构得到目标的方位信息。仿真分析表明，当阵列天线存在幅相误差时，本文所提方法具有良好的超分辨DOA估计性能。     

基于互协方差稀疏重构的MIMO雷达低仰角估计算法

针对低空目标仰角估计时, 多径信号间的混叠严重影响雷达的测角性能的问题, 基于压缩感知理论的波达方向(direction of arrival, DOA)估计算法与多输入多输出(multi-input and multi-output, MIMO)雷达体制结合起来共同进行低空目标DOA估计的研究, 提出了一种基于互协方差矩阵稀疏重构的MIMO雷达低空目标DOA估计算法。首先, 对MIMO雷达多径接收信号广义匹配滤波后的虚拟矩阵向量化处理, 并针对向量化后虚拟孔径扩展带来运算量大的缺点, 通过降维处理来减少运算量; 然后利用多快拍数互协方差矩阵中的噪声独立不相关的优点, 降低噪声影响, 提高算法估计性能; 最后转化为凸优化问题进行稀疏恢复。仿真结果表明算法在直达信号与多径反射信号相互削弱的情况下, 仍能有效估计低空目标的仰角, 较L1-SVD和L1-SRACV算法对低空目标具有更好的仰角估计性能。     

单次快拍波达方向矩阵法

提出了一种新的基于阵列系统单次快拍数据的相干信源二维波达方向(direction of arrival, DOA)快速估计方法--单次快拍波达方向矩阵法(single snapshot DOA matrix method, SS-DOAM)。该方法保持了原DOA矩阵法无需二维谱峰搜索和参数配对的优点,利用阵列系统结构特点,构建单次快拍数据矩阵,通过对单次快拍波达方向矩阵进行特征分解,解决了二维DOA估计问题并实现了相干信源完全解相干。由于该算法只利用一次快拍数据,不需要快拍累计和进行相关运算,计算复杂度大幅降低,适用于对二维DOA估计实时性要求高的应用背景。针对单快拍算法在低信噪比时估计误差较大的问题,进一步提出了利用同相数据叠加来改善估计精度的对策。仿真结果证明了该方法的有效性。     

基于单快拍空间平滑的多伯努利DOA跟踪算法

针对阵列信号处理中单快拍情况下的多源时变波达方向(direction of arrival, DOA)跟踪问题, 提出了一种基于单快拍空间平滑的多伯努利DOA跟踪算法。首先，利用多伯努利随机有限集(random finite set, RFS)描述状态过程的随机性, 并直接利用从传感器阵列中获得单快拍量测。其次, 采用空间平滑技术对单快拍量测进行处理, 得到伪协方差矩阵, 并进行奇异值分解。最后，用多重信号分类(multiple signal classification, MUSIC)谱函数作为伪似然函数进行多伯努利DOA跟踪。仿真结果表明, 该算法能实时有效跟踪单快拍量测下的时变信源DOA状态, 且能准确估计信源个数。     

基于虚拟孔径扩展的子带信息融合宽带DOA估计

如何有效地利用宽带信号各频点所提供的信息实现高精度波达角(direction of arrival, DOA)估计一直是热点问题,针对宽带DOA估计问题,提出一种基于孔径扩展的子带信息融合(subband information fusion, SIF)DOA估计方法。该方法在宽带信号的频域模型基础上,结合虚拟阵列方法实现孔径扩展,并联合各子带信息统一处理,从而提高DOA估计的精度。与其他SIF方法相比,该方法利用二阶统计量将数据转化为单快拍模型,不仅提高了可估计信源数目,而且极大程度地降低了运算复杂度,同时在小快拍、低信噪比条件下仍能得到DOA估计结果。仿真实验验证了所提方法的有效性。     

基于模糊函数的LFM UWB雷达信号滑动平均波达方向估计

针对线性调频类超宽带雷达信号的线性时频特性,提出了基于2阶统计量——信号模糊函数的线性调频类超宽带雷达信号波达方向估计算法,通过分析仿真证明该方法优于传统方法。根据分析指出循环平稳算法与模糊函数算法之间的关系,介绍了循环平稳算法对基于窄脉冲形式的无载波超宽带雷达信号DOA估计的有效性。系统完整地论述了超宽带雷达信号DOA估计算法。     

基于迭代连续匹配追踪的高频地波雷达单次快拍DOA估计方法

高频地波超视距雷达在一个相参积累时间内只能获得空域的单次快拍,在单次快拍条件下进行波达方向估计常常性能很差。针对该问题,本文以压缩感知理论为基础,并根据目标信号在探测方位分布的稀疏性,提出单次快拍下目标方位估计方法。该方法首先利用稀疏变换字典将位于连续方位空间的目标信号变换到满足稀疏条件的离散网格点上;然后采用正交匹配追踪方法获得粗略的方位信息;最后根据迭代最小二乘连续匹配追踪算法得到目标的精确方位。理论分析与仿真证明,该方法可以提高在单次快拍下对低信噪比相干信号的方位估计精度,并且完全适用于阵元数较少的小规模高频地波雷达系统。     

基于雷达的导航信息传递技术

针对小型智能飞行器(miniature intelligent air-vehicle, MIA)低精度微惯导系统的动态初始对准和校准问题, 提出了基于雷达的导航信息传递技术。将雷达及其载体当作一个刚体, 设计了基于雷达的导航信息传递系统; 基于雷达被动测向原理, 提出了测定雷达主瓣波达方向(direction of arrival, DOA)的多重镜像压缩的传播算子(multiple image compression-propagator method, MIC-PM)估计算法。理论与仿真分析表明, 相对于PM算法, MIC-PM算法计算量明显减少, DOA估计时间可达到9.3×10^-3s, 满足MIA导航信息传递的实时性要求; 同时, 在低信噪比情况下的估计精度有所提高。     

虚拟波束四阶累积量DOA估计方法

为满足复杂干扰场景和阵列误差因素影响下雷达微弱目标信号精确测向需求,提出一种基于均匀线阵构建虚拟波束,替代阵列接收信号进行四阶累积量(fourth-order cumulant, FOC)波达方向(direction of arrival, DOA)估计的算法。该算法包括两个关键步骤：一是利用阵列接收信号特征分解的方法,对信号主信息分量进行提取,并以构建的虚拟波束为输入,计算FOC矩阵;二是针对主分量虚拟波束波瓣外的起伏,利用高斯窗修正波束方向图的方法,进一步提升空间谱函数的估计精度。仿真结果表明,该方法在存在阵列误差的非理想因素下,对复杂电磁干扰场景下的目标信号DOA估计精度较现有FOC方法提高150%以上,尤其对于场内同时存在多个非等功率源信号时,所提方法对低信噪比目标DOA估计精度提升效果优势明显,对复杂干扰环境下DOA估计精度更高、适应性更强。     

空时矩阵组三迭代DOA估计新方法

利用平移不变结构阵列信号子空间的旋转不变性,构造一组具有对角结构的空时相关矩阵组。给出一种高精度的信号子空间估计方法,利用估计的信号子空间做降维矩阵处理空时相关矩阵组,从而减少计算量并加快收敛速度。基于非线性最小二乘建立代价函数,提出一种三迭代算法求解代价函数进而估计波达方向DOA。仿真结果证实该算法收敛速度较快,估计精度显著高于TLS-ESPRIT算法,尤其在低信噪比和小快拍数据下估计精度显著增强。     

基于广义斜投影的高分辨波达方向估计

针对来波信号功率不同情形下的波达方向估计问题,构建广义斜投影算子自适应抑制接收数据中非期望方向的接收信号,同时自适应调节空间谱加权系数,平衡强弱信号的空间谱峰。通过干扰抑制和空间谱估计的同步处理,实现信号源波达方向(direction of arrival, DOA)的高分辨估计,且避免弱信号的谱峰被强信号谱峰遮盖的问题。理论分析与仿真表明,所提方法在信号功率不同时,对弱信号的DOA估计具有更强的鲁棒性,可有效地实现对不同方向来波信号的高分辨DOA估计,降低信号功率不同带来的影响。且随着快拍数及信噪比的增加,DOA估计方差逐渐逼近相应的克拉美罗界下限。     

基于CS-MUSIC算法的DOA估计

多重信号分类（multiple signal classification, MUSIC）方法在少快拍数或者存在相干信源的情况下不能准确估计信号的波达方向,而压缩感知(compressive sensing, CS)方法在多快拍数或低信噪比情况下分辨性能不稳定,估计准确率受限。提出了一种基于CS的MUSIC方法,简称CS-MUSIC,该方法针对不同的快拍数,建立二者之间的联系,构造出新的正交空间,获得尖锐的谱峰。理论分析和仿真结果表明,所提方法在不同快拍数条件下,具有较高的估计精度,克服了传统方法存在的缺陷,并且对噪声具有鲁棒性。     

塔克张量域正则极化ESPRIT

针对极化敏感阵列信号波达方向(direction-of-arrival, DOA)估计问题,提出了一种基于塔克张量域序贯截断高阶奇异值分解的正则极化旋转不变参数估计(Tucker tensor based regularized polarimetric estimation of signal parameters via rotational invariance technique, trpESPRIT)方法。首先对阵列接收信号进行塔克张量建模,之后通过序贯截断高阶奇异值分解获得塔克张量域信号子空间,最后利用多旋转不变子空间幅相关系获得信号DOA估计。相比于传统矩阵建模方法,塔克张量建模更便于组织多维数据结构,实现高维的数据匹配操作,而序贯截断高阶奇异值分解则可以获得更高的信号子空间估计精度以及后续的DOA估计。仿真结果表明,trpESPRIT方法较之常规矩阵方法和矢量方法可以更好地抑制噪声,具有更高的信号DOA估计精度,在低信噪比和低快拍条件下仍然具有良好的分辨能力。     

基于虚拟阵列扩展的改进加权空间平滑算法

针对相干信源的波达方向(direction of arrival, DOA)估计问题, 传统的空间平滑算法通过减小阵列孔径来解相干, 导致估计精度降低。本文以相干分布源为研究对象, 首先通过扩展共轭虚拟阵列增大阵列孔径, 使用Toeplitz算法进行预估计, 根据预估计值构建加权矩阵, 通过二次加权空间平滑恢复协方差矩阵的秩, 消除信号的相干性, 结合传播因子算法估计得到目标信源的入射角度。该算法充分利用子阵输出的自相关和互相关信息, 改善了阵列孔径带来的精度影响。仿真结果表明, 所提算法对相干信源具有良好的分辨能力和估计精度, 在低信噪比时鲁棒性较好。     

MIMO雷达最大似然波达方向估计方法

根据MIMO雷达的工作原理和回波模型,在传统最大似然算法的基础上,提出了MIMO雷达波达方向估计的最大似然方法。通过理论分析,给出了波达方向估计的一致性证明和估计方差的计算公式。理论分析表明,MIMO雷达的最大似然估计方差比传统的相控阵雷达要小,估计性能优于传统相控阵雷达。最后通过蒙特·卡罗实验对不同信噪比、快拍数和接收阵元数等情况下波达方向估计的方差进行了仿真,证实了理论分析的正确性。     

基于PRI捷变的雷达通信一体化共享信号设计方法

雷达通信一体化能有效提高频谱利用率, 减小电子设备体积, 是多功能综合一体化电子系统的主要研究方向之一。本文在随机脉冲重复间隔(pulse repetition interval, PRI)雷达的基础上, 提出一种新的基于PRI捷变的雷达通信一体化共享信号设计方法。通过改变发射信号的PRI, 将通信信息嵌入到发射信号中, 在雷达信号处理端, 引入压缩感知理论来完成方位向相参积累, 并实现对目标速度的超分辨估计; 在通信信号处理端, 通过检测脉冲的PRI来完成信息的解调。仿真试验表明, 所提方法在保证雷达探测性能的前提下, 可实现通信信息的稳定传输。     

基于均匀圆阵伪协方差矩阵的单快拍测向方法

传统的单快拍测向算法只适用于具有Vandermonde形式的阵列流型, 均匀圆阵的阵列流型不具有Vandermonde矩阵结构, 因此大部分基于线阵的伪协方差矩阵的构造方法无法直接适用于均匀圆阵。针对该问题, 从侦察方的角度对波达方向(direction of arrival, DOA)估计算法进行了研究, 改进了伪协方差矩阵的构造方法, 提出了一种基于均匀圆阵的单快拍测向算法。通过与模式空间前后向平滑(mode forward-backward spatial smoothing, MODE-FBSS)算法的对比仿真, 验证了算法的有效性, 证实了所提方法的性能优于MODE-FBSS算法。