基于壓縮感知的高頻超視距雷達(dá)超分辨方法研究.pdf

1、高頻超視距雷達(dá)在低空防御、遠(yuǎn)海預(yù)警、隱身目標(biāo)探測(cè)領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值,同時(shí)也是海面環(huán)境數(shù)據(jù)采集、海態(tài)遙感的重要手段。然而由于高頻雷達(dá)采用頻率范圍較低3-30MHz，雷達(dá)陣列形成的波束寬度很寬，對(duì)空間目標(biāo)分辨能力很差,嚴(yán)重影響其應(yīng)用范圍。另外，高頻雷達(dá)監(jiān)測(cè)環(huán)境復(fù)雜，外部噪聲和干擾很強(qiáng)，目標(biāo)容易淹沒在噪聲背景下很難檢測(cè)出來。為了將目標(biāo)信息從雷達(dá)回波信號(hào)中提取出來，需要較長(zhǎng)的相干積累時(shí)間，甚至達(dá)到上百秒，這會(huì)導(dǎo)致積累后用于目標(biāo)方位估計(jì)的快拍數(shù)

2、非常少，給信號(hào)處理方法帶來巨大挑戰(zhàn)。超分辨技術(shù)是解決雷達(dá)陣列分辨力低的有效手段，但是傳統(tǒng)的超分辨算法易受觀測(cè)條件的限制，如陣元數(shù)過少、目標(biāo)回波多徑效應(yīng)、采樣數(shù)據(jù)量不足等，這些因素都會(huì)造成傳統(tǒng)的超分辨技術(shù)估計(jì)結(jié)果不夠理想。由于高頻雷達(dá)特殊背景帶來的問題與傳統(tǒng)超分辨技術(shù)應(yīng)用條件之間存在尖銳矛盾，因此，建立新的超分辨方法來解決二者之間的矛盾對(duì)高頻雷達(dá)的發(fā)展以及應(yīng)用領(lǐng)域的拓展有重要的實(shí)際意義。壓縮感知理論的確立為稀疏信號(hào)的恢復(fù)提供了完整的理論支

3、持，同時(shí)也為空間譜估計(jì)理論注入了新的活力。本文從傳統(tǒng)的子空間分解超分辨技術(shù)和壓縮感知理論框架入手，對(duì)高頻雷達(dá)分辨率低的問題提出了完整的處理流程，取得了以下研究成果：
　　1.提出了一種壓縮感知與子空間分解聯(lián)合估計(jì)算法解決 DOA估計(jì)問題。高頻雷達(dá)接收信號(hào)易存在多路徑干擾以及相干積累時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致的空域采樣信息量不足的問題，這會(huì)造成觀測(cè)信號(hào)矩陣是非滿秩的，傳統(tǒng)的子空間分解算法無法直接求解；而壓縮感知方法由于其獨(dú)特的信號(hào)重構(gòu)方式，可以不

4、必求解觀測(cè)信號(hào)的二階統(tǒng)計(jì)信息，因此可以有效解決信號(hào)相干和快拍數(shù)過少的問題，但也存在對(duì)多次測(cè)量數(shù)據(jù)利用率低、算法穩(wěn)定性差的缺陷。本文利用空間分解算法的穩(wěn)定性和壓縮感知重構(gòu)方法的特殊性建立了一種聯(lián)合估計(jì)算法，該算法可以解決任意快拍數(shù)下的參數(shù)估計(jì)問題，并且對(duì)噪聲有較好的魯棒性。
　　2.提出了一種低信噪比下的網(wǎng)格優(yōu)化算法，可以有效解決網(wǎng)格劃分過密導(dǎo)致觀測(cè)矩陣原子相關(guān)性過高的問題。超分辨技術(shù)就是要突破原有的理論限制，為了能夠?qū)δ繕?biāo)參數(shù)準(zhǔn)確

5、估計(jì)，要求構(gòu)造的觀測(cè)矩陣盡量包含稀疏信號(hào)的結(jié)構(gòu)特征。因此，觀測(cè)矩陣需要充分完整的原子構(gòu)成，也就是更密集的網(wǎng)格劃分。然而對(duì) DOA估計(jì)來說，字典是由陣列流型矢量構(gòu)成的，原子本身就具有較高的相關(guān)性，當(dāng)網(wǎng)格劃分更精細(xì)的時(shí)候，相鄰原子之間的相關(guān)性會(huì)很高，破壞了壓縮感知理論對(duì)觀測(cè)矩陣的結(jié)構(gòu)限制。另外，由于高頻雷達(dá)環(huán)境背景復(fù)雜，雷達(dá)接收陣列形成波束較寬，容易引入大量的外部環(huán)境噪聲，影響對(duì)最優(yōu)原子的判斷，導(dǎo)致估計(jì)穩(wěn)定性很差。本文針對(duì)低信噪比條件下的參

6、數(shù)估計(jì)問題，首先對(duì)通道數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，并利用噪聲抑制后的觀測(cè)信號(hào)構(gòu)造一個(gè)感知字典來降低字典原子間的相關(guān)系數(shù)，引入感知字典的凸優(yōu)化算法和貪婪算法在對(duì)DOA估計(jì)精度上都有相應(yīng)的提高，特別是對(duì)分辨空間距離較近的目標(biāo)效果更明顯。
　　3.提出了一種針對(duì)網(wǎng)格劃分過疏導(dǎo)致能量泄露問題的網(wǎng)格優(yōu)化算法。壓縮感知方法通常利用一組離散的基向量來近似擬合稀疏信號(hào)，如果信號(hào)的非零元素正好落在對(duì)應(yīng)基向量的網(wǎng)格點(diǎn)上，那么該信號(hào)就可以用這組基向量構(gòu)成的基矩陣

7、準(zhǔn)確表示。然而實(shí)際應(yīng)用中，稀疏或可壓縮信號(hào)通常是一個(gè)連續(xù)變化的量。因?yàn)榭臻g目標(biāo)的角度可以是任意的方位，不可能準(zhǔn)確落在我們預(yù)設(shè)的網(wǎng)格點(diǎn)上，這種情況下會(huì)出現(xiàn)能量泄露(也叫基失配)問題，更嚴(yán)重的會(huì)令信號(hào)無法用構(gòu)造的字典線性表示，那么信號(hào)也就不能稱作該字典下的稀疏或可壓縮信號(hào)，不滿足壓縮感知理論對(duì)信號(hào)的基本要求。由于高頻雷達(dá)探測(cè)距離遠(yuǎn)，達(dá)到上百公里，實(shí)際距離很遠(yuǎn)的兩個(gè)目標(biāo)，相對(duì)于雷達(dá)來說角度差別可能只有零點(diǎn)幾度，而高頻雷達(dá)觀測(cè)范圍又很寬，目標(biāo)的