基于壓縮感知的高頻超視距雷達超分辨方法研究.pdf

1、高頻超視距雷達在低空防御、遠海預警、隱身目標探測領(lǐng)域有重要的應用價值,同時也是海面環(huán)境數(shù)據(jù)采集、海態(tài)遙感的重要手段。然而由于高頻雷達采用頻率范圍較低3-30MHz，雷達陣列形成的波束寬度很寬，對空間目標分辨能力很差,嚴重影響其應用范圍。另外，高頻雷達監(jiān)測環(huán)境復雜，外部噪聲和干擾很強，目標容易淹沒在噪聲背景下很難檢測出來。為了將目標信息從雷達回波信號中提取出來，需要較長的相干積累時間，甚至達到上百秒，這會導致積累后用于目標方位估計的快拍數(shù)

2、非常少，給信號處理方法帶來巨大挑戰(zhàn)。超分辨技術(shù)是解決雷達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條件的限制，如陣元數(shù)過少、目標回波多徑效應、采樣數(shù)據(jù)量不足等，這些因素都會造成傳統(tǒng)的超分辨技術(shù)估計結(jié)果不夠理想。由于高頻雷達特殊背景帶來的問題與傳統(tǒng)超分辨技術(shù)應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高頻雷達的發(fā)展以及應用領(lǐng)域的拓展有重要的實際意義。壓縮感知理論的確立為稀疏信號的恢復提供了完整的理論支

3、持，同時也為空間譜估計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，對高頻雷達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)合估計算法解決 DOA估計問題。高頻雷達接收信號易存在多路徑干擾以及相干積累時間過長導致的空域采樣信息量不足的問題，這會造成觀測信號矩陣是非滿秩的，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特的信號重構(gòu)方式，可以不

4、必求解觀測信號的二階統(tǒng)計信息，因此可以有效解決信號相干和快拍數(shù)過少的問題，但也存在對多次測量數(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)合估計算法，該算法可以解決任意快拍數(shù)下的參數(shù)估計問題，并且對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)格劃分過密導致觀測矩陣原子相關(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繕藚?shù)準確

5、估計，要求構(gòu)造的觀測矩陣盡量包含稀疏信號的結(jié)構(gòu)特征。因此，觀測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 DOA估計來說，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，當網(wǎng)格劃分更精細的時候，相鄰原子之間的相關(guān)性會很高，破壞了壓縮感知理論對觀測矩陣的結(jié)構(gòu)限制。另外，由于高頻雷達環(huán)境背景復雜，雷達接收陣列形成波束較寬，容易引入大量的外部環(huán)境噪聲，影響對最優(yōu)原子的判斷，導致估計穩(wěn)定性很差。本文針對低信噪比條件下的參

6、數(shù)估計問題，首先對通道數(shù)據(jù)進行降噪處理，并利用噪聲抑制后的觀測信號構(gòu)造一個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DOA估計精度上都有相應的提高，特別是對分辨空間距離較近的目標效果更明顯。
　　3.提出了一種針對網(wǎng)格劃分過疏導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，如果信號的非零元素正好落在對應基向量的網(wǎng)格點上，那么該信號就可以用這組基向量構(gòu)成的基矩陣

7、準確表示。然而實際應用中，稀疏或可壓縮信號通常是一個連續(xù)變化的量。因為空間目標的角度可以是任意的方位，不可能準確落在我們預設(shè)的網(wǎng)格點上，這種情況下會出現(xiàn)能量泄露(也叫基失配)問題，更嚴重的會令信號無法用構(gòu)造的字典線性表示，那么信號也就不能稱作該字典下的稀疏或可壓縮信號，不滿足壓縮感知理論對信號的基本要求。由于高頻雷達探測距離遠，達到上百公里，實際距離很遠的兩個目標，相對于雷達來說角度差別可能只有零點幾度，而高頻雷達觀測范圍又很寬，目標的