基于ADMM的米波面阵雷达二维DOA估计方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN113671485A(43)申请公布日2021.11.19(21)申请号202110753379.3(22)申请日2021.07.02(71)申请人西安电子科技大学地址710071陕西省西安市太白南路2号(72)发明人刘宏伟李嘉豪马晖马健钧(74)专利代理机构西安睿通知识产权代理事务所(特殊普通合伙)61218代理人惠文轩(51)Int.Cl.G01S13/88(2006.01)权利要求书4页说明书8页附图4页(54)发明名称基于ADMM的米波面阵雷达二维DOA估计方法(57)摘要本发明属于雷达技术领域，公开了一种适用于米波雷达的基于ADMM算法的米波面阵二维DOA估计方法。该算法首先通过二维波束合成对目标角度进行粗略估计，并根据得到的角度粗估计信息限定了目标角度范围，减少了求解运算量。其次利用方位、俯仰角无耦合的特性，对面阵数据分别进行行、列波束合成，在提升信噪比的同时实现数据降维，提高了运算效率。并通过傅里叶插值的方式提取目标数据，最后利用ADMM算法进行方位、俯仰角估计，避免了二维联合估计复杂的计算量，降低了复杂度。CN113671485ACN113671485A权利要求书1/4页1.一种基于ADMM的米波面阵二维DOA估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立米波雷达二维面阵的信号模型，对各个阵元接收的回波数据进行脉压处理，对脉压后回波数据进行二维波束合成，得到目标俯仰角粗估计θ1和方位角粗估计其中，米波雷达二维面阵为M×N维；步骤2，利用方位角粗估计对各行阵元进行方位角波束合成，插值处理后提取距离单T元RQ数据，得到各行阵列输出数据yr＝[S1r(RQ)，…Smr(RQ)，…SMr(RQ)]，利用俯仰角粗估计Tθ1和距离单元RQ得到各列阵列输出数据yc＝[S1c(RQ)，…Snc(RQ)，…SNc(RQ)]；利用几何关系，将输出数据yr和yc分别扩展为空域角度超完备表示形式，据此建立稀疏恢复模型，将目标的二维DOA估计问题转化为目标函数的凸优化问题；其中，Smr(RQ)表示第m行阵元方位波束合成并插值处理后的距离单元RQ数据；Snc(RQ)表示第n列阵元俯仰波束合成并插值处理后距离单元RQ数据；上标T为转置操作；步骤3，将所述目标函数的凸优化问题进行分块处理，采用交替方向乘子法求解分块后的一维DOA估计问题，对应得到俯仰维和方位维的角度估计，即为目标俯仰角和方位角的精确估计。2.根据权利要求1所述的基于ADMM的米波面阵二维DOA估计方法，其特征在于，所述建立米波雷达二维面阵的信号模型，具体为：1.1，建立空间直角坐标系，设二维面阵为阵元数为M×N的均匀面阵，将其放置在YOZ平面，相邻阵元间隔为d，满足d＝λ/2，λ表示波长；在远场条件下目标回波到达各阵元认为是平面波，定义目标在XOY平面投影与Y轴正方向的夹角为方位角目标与XOY平面的夹角为俯仰角θ；令O点阵元为参考阵元，各阵元发射窄带线性调频信号为：其中，g(t)表示信号复包络，fc为中心频率，T表示脉冲宽度；1.2，设空间中只有单个目标，噪声是独立同分布的加性噪声，各阵元在t时刻接收基频回波表示为：其中，σ表示目标后向散射系数，ρ表示多径回波镜面反射系数；c表示光速，R(m，n)表示目标到第m行第n列阵元距离，m∈[1，M]，n∈[1，N]；R′(m，n)表示多径回波到达各阵元的距离，w(m，n，t)表示第m行第n列阵元的加性高斯白噪声；1.3，根据远场条件，令目标与参考阵元距离为R，则其中，yn表示第n列阵元的Y轴坐标，zm表示第m行阵元的Z轴坐标；当反射面为理想平面阵地时，只考虑多径信号镜面反射，则直达波和多径波的距离差表示为：ΔR＝R′(m，n)‑R(m，n)≈2hasinθ，ha表示阵列中心高度，在该反射模型中，直达波仰角θd与多径仰角θs满足θd≈‑θs，直达波方位角与多径方位角满足忽略时延对包络的影响，在窄带信号条件下得到如下关系式：2CN113671485A权利要求书2/4页利用上式将步骤1.2中的基频回波整理为：其中，表示多径衰减系数。3.根据权利要求2所述的基于ADMM的米波面阵二维DOA估计方法，其特征在于，步骤1中，令第一行阵元、第一列阵元分别作为方位、俯仰波束合成的参考阵元，行阵元方位加权矢量表示为列阵元俯仰加权矢量表示为则所述目标俯仰角粗估计θ1和方位角粗估计为：其中，SrefM(t)＝[S(1，1，t)；S(2，1，t)；…；S(M，1，t)]表示参考列M个阵元的脉压后的回波数据，SrefN(t)＝[S(1，1，t)；S(1，2，t)；…；S(1，N，t)]表示参考行N个阵元的脉压后的回波数据，χ(·)表示恒虚警检测。4.根据权利要求1所述的基于ADM