稀疏信號處理在雷達檢測和成像中的應用研究.pdf

1、稀疏信號處理理論，特別是近年壓縮感知理論(Compressive Sensing，CS)的建立和快速發(fā)展，為利用稀疏信號處理技術解決雷達實際信號處理問題提供了新的方向。稀疏信號處理技術給我們提供了一個利用少量回波數(shù)據(jù)精確獲取雷達目標信息的框架。近年來，壓縮感知的理論和算法有很大發(fā)展，國內(nèi)外研究表明，稀疏信號采樣和恢復技術在雷達應用上具有很大的潛力。基于CS的雷達系統(tǒng)可以簡化雷達硬件設計，提高系統(tǒng)分辨率，縮短數(shù)據(jù)獲取時間，減少數(shù)據(jù)存儲和傳

2、輸量以及重構缺損信號。本論文列舉了CS理論在雷達目標檢測以及成像中的若干應用。利用概念分析、理論推導和實測數(shù)據(jù)驗證等手段對雷達稀疏信號處理的一些新方法進行了研究。最后研究了基于CS的雷達觀測矩陣設計以及優(yōu)化算法的實時處理電路設計。本文的具體工作安排如下：
　　 1.針對雷達稀疏信號處理實際應用，結合CS基本理論，對雷達回波信號的稀疏表示、觀測矩陣設計、優(yōu)化問題求解以及對雜波的處理進行了分析。
　　 2.提出天波超視距雷達

3、(OTHR)缺損信號的完整多普勒頻譜重構方法。OTHR雷達工作在電磁環(huán)境復雜的高頻波段，外部噪聲的干擾，特別是閃電和流星余跡等瞬態(tài)干擾很強，信號容易受到強瞬態(tài)干擾的影響。對強瞬態(tài)干擾的剔除將導致信號缺損。同時現(xiàn)代OTHR通常要求在多模式、多目標的條件下工作，這也導致對同一目標和場景的回波在時間上不能均勻連續(xù)采樣，信號出現(xiàn)缺損。根據(jù)信號的缺損規(guī)律，構建CS信號恢復模型，通過稀疏分解對信號完整的頻譜進行了重構。
　　 3.研究了高頻

4、(HF)雷達隨機跳頻信號的距離-多普勒二維高分辨處理。HF雷達所處頻段擁擠不堪，很難找到連續(xù)的寬頻帶實現(xiàn)距離高分辨。結合頻率監(jiān)測系統(tǒng)，提出利用隨機分布的稀疏頻點實現(xiàn)距離-多普勒二維高分辨處理。由于頻帶缺損，帶寬合成的效果不好，目標像出現(xiàn)高的旁瓣和柵瓣。針對這個問題，利用稀疏信號處理技術，構建距離-速度二維冗余時頻字典矩陣，通過稀疏優(yōu)化求解實現(xiàn)目標的二維高分辨。針對運動目標的距離.速度冗余時頻字典矩陣相關性過大的問題，提出通過速度預估計的

5、方法縮小字典速度維的尺寸，重新構造規(guī)模較小的時頻字典，增強了字典的正交性。該方法提高了CS算法的恢復精度和穩(wěn)健性，同時也大大提升了優(yōu)化求解的計算效率。
　　 4.提出基于CS的動目標顯示(MTI)雷達多普勒解模糊方法。該方法發(fā)射抖動脈沖重復頻率(PRF)脈沖序列實現(xiàn)雷達回波信號的非均勻采樣。利用目標多普勒的稀疏特性以及非均勻采樣特性，構造多普勒頻率遠大于發(fā)射PRF的字典矩陣，通過求解優(yōu)化問題直接恢復出不模糊的目標多普勒。針對強雜

6、波影響信號的恢復精度問題，對多普勒解模糊方法進行了改進。首先發(fā)射一組參考等PRF的脈沖序列來得到雜波譜估計，然后把雜波抑制結合到CS優(yōu)化求解中，在恢復出目標真實多普勒的同時實現(xiàn)了雜波抑制。
　　 5.提出帶寬外推(BWE)結合CS的短孔徑超分辨逆合成孔徑雷達(ISAR)成像方法。短孔徑ISAR成像可以減輕高次相位項的影響，簡化了復雜運動目標的信號模型。根據(jù)CS理論，目標強散射點的恢復概率和精度與信號觀測長度成正比，短孔徑ISAR

7、成像由于觀測時間短，目標像方位分辨率通常較低?；诖藛栴}，在保持信號相干性的前提下采用BWE技術對信號進行外推，增加了觀測信號的維度。然后重新構造觀測時間更長的CS模型，通過優(yōu)化求解改善ISAR的方位分辨率。
　　 6.提出基于CS的雷達觀測矩陣電路設計方法以及正交匹配追蹤(OMP)優(yōu)化算法的電路實現(xiàn)方法。CS理論能否成功應用在雷達實時信號處理中，隨機觀測矩陣的設計以及優(yōu)化問題的高效求解成為關鍵。隨機觀測矩陣的設計將涉及雷達參數(shù)