稀疏信號(hào)處理在雷達(dá)檢測和成像中的應(yīng)用研究.pdf

1、稀疏信號(hào)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(hào)處理技術(shù)解決雷達(dá)實(shí)際信號(hào)處理問題提供了新的方向。稀疏信號(hào)處理技術(shù)給我們提供了一個(gè)利用少量回波數(shù)據(jù)精確獲取雷達(dá)目標(biāo)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(hào)采樣和恢復(fù)技術(shù)在雷達(dá)應(yīng)用上具有很大的潛力。基于CS的雷達(dá)系統(tǒng)可以簡化雷達(dá)硬件設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)分辨率，縮短數(shù)據(jù)獲取時(shí)間，減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳

2、輸量以及重構(gòu)缺損信號(hào)。本論文列舉了CS理論在雷達(dá)目標(biāo)檢測以及成像中的若干應(yīng)用。利用概念分析、理論推導(dǎo)和實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證等手段對雷達(dá)稀疏信號(hào)處理的一些新方法進(jìn)行了研究。最后研究了基于CS的雷達(dá)觀測矩陣設(shè)計(jì)以及優(yōu)化算法的實(shí)時(shí)處理電路設(shè)計(jì)。本文的具體工作安排如下：
　　 1.針對雷達(dá)稀疏信號(hào)處理實(shí)際應(yīng)用，結(jié)合CS基本理論，對雷達(dá)回波信號(hào)的稀疏表示、觀測矩陣設(shè)計(jì)、優(yōu)化問題求解以及對雜波的處理進(jìn)行了分析。
　　 2.提出天波超視距雷達(dá)

3、(OTHR)缺損信號(hào)的完整多普勒頻譜重構(gòu)方法。OTHR雷達(dá)工作在電磁環(huán)境復(fù)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(qiáng)，信號(hào)容易受到強(qiáng)瞬態(tài)干擾的影響。對強(qiáng)瞬態(tài)干擾的剔除將導(dǎo)致信號(hào)缺損。同時(shí)現(xiàn)代OTHR通常要求在多模式、多目標(biāo)的條件下工作，這也導(dǎo)致對同一目標(biāo)和場景的回波在時(shí)間上不能均勻連續(xù)采樣，信號(hào)出現(xiàn)缺損。根據(jù)信號(hào)的缺損規(guī)律，構(gòu)建CS信號(hào)恢復(fù)模型，通過稀疏分解對信號(hào)完整的頻譜進(jìn)行了重構(gòu)。
　　 3.研究了高頻

4、(HF)雷達(dá)隨機(jī)跳頻信號(hào)的距離-多普勒二維高分辨處理。HF雷達(dá)所處頻段擁擠不堪，很難找到連續(xù)的寬頻帶實(shí)現(xiàn)距離高分辨。結(jié)合頻率監(jiān)測系統(tǒng)，提出利用隨機(jī)分布的稀疏頻點(diǎn)實(shí)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(biāo)像出現(xiàn)高的旁瓣和柵瓣。針對這個(gè)問題，利用稀疏信號(hào)處理技術(shù)，構(gòu)建距離-速度二維冗余時(shí)頻字典矩陣，通過稀疏優(yōu)化求解實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的二維高分辨。針對運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的距離.速度冗余時(shí)頻字典矩陣相關(guān)性過大的問題，提出通過速度預(yù)估計(jì)的

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

6、波影響信號(hào)的恢復(fù)精度問題，對多普勒解模糊方法進(jìn)行了改進(jìn)。首先發(fā)射一組參考等PRF的脈沖序列來得到雜波譜估計(jì)，然后把雜波抑制結(jié)合到CS優(yōu)化求解中，在恢復(fù)出目標(biāo)真實(shí)多普勒的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了雜波抑制。
　　 5.提出帶寬外推(BWE)結(jié)合CS的短孔徑超分辨逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)成像方法。短孔徑ISAR成像可以減輕高次相位項(xiàng)的影響，簡化了復(fù)雜運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的信號(hào)模型。根據(jù)CS理論，目標(biāo)強(qiáng)散射點(diǎn)的恢復(fù)概率和精度與信號(hào)觀測長度成正比，短孔徑ISAR

7、成像由于觀測時(shí)間短，目標(biāo)像方位分辨率通常較低?；诖藛栴}，在保持信號(hào)相干性的前提下采用BWE技術(shù)對信號(hào)進(jìn)行外推，增加了觀測信號(hào)的維度。然后重新構(gòu)造觀測時(shí)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(dá)觀測矩陣電路設(shè)計(jì)方法以及正交匹配追蹤(OMP)優(yōu)化算法的電路實(shí)現(xiàn)方法。CS理論能否成功應(yīng)用在雷達(dá)實(shí)時(shí)信號(hào)處理中，隨機(jī)觀測矩陣的設(shè)計(jì)以及優(yōu)化問題的高效求解成為關(guān)鍵。隨機(jī)觀測矩陣的設(shè)計(jì)將涉及雷達(dá)參數(shù)