基于Toeplitze性质的多径相干斜投影波束形成方法

本发明属于雷达，特别涉及一种多径相干波束形成方法，具体指一种基于toeplitze性质的多径相干斜投影波束形成方法，可用于目标存在多径的自适应波束形成系统，有效接收目标多径信号，提高输出信号信干噪比。

背景技术：

1、多径现象在低空目标场景下广泛存在，目标多路径信号之间的相干性，导致经典自适应波束形成的目标多路径输出信号相消，因此输出信号的信干噪比较低。针对此问题，现有自适应波束形成方法主要有多径干扰抑制和多径相干波束形成两种。

2、多径干扰抑制是将除目标直达波以外的所有反射波路径作为干扰并对其进行抑制，这类方法抑制了多路径反射信号中所包含的目标信息，使得输出信干噪比降低，无法达到目标后续检测、跟踪等处理所需要的信号能量。

3、多径相干波束形成将目标的所有路径信号作为有用信号合成接收，同时抑制其他干扰，以期输出最大信干噪比。这类方法对期望信号、不相干干扰和噪声的统计特性有严格要求，在期望信号较强时性能恶化严重，需要准确的先验信息，在干扰存在多径时性能下降。且现有方法在干扰存在多路径传播的情形下，性能严重下降，甚至无法丢失目标信息。因此，现有多径相干波束形成方法无法满足日益的复杂电磁环境。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对上述现有方法的不足，提出一种基于toeplitze性质的多径相干斜投影波束形成方法，抑制相关、不相关干扰信号、有效利用目标多径信息，提高输出信号的信干噪比。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

3、(1)阵列雷达接收信号，得到回波数据，该回波数据包括目标直达波信号和多径信号、相关干扰和其多径信号、不相关干扰和噪声；

4、其中，和分别为目标期望信号和不相关干扰信号的多路径个数，为不存在多路径传播的不相关干扰信号的个数，且满足。为目标第条期望信号路径的反射系数，为目标第条相干干扰路径的反射系数。表示方向上的n维导向矢量。期望信号、干扰信号和以及噪声假设是互不相关的。，分别为期望信号和为相干干扰的多路径合成导向矢量。是服从均值为0，方差为的复高斯白噪声。

5、（2）计算阵列接收信号的协方差矩阵：

6、

7、对数据协方差矩阵进行特征分解

8、

9、其中，为信号子空间特征向量矩阵，为信号之空间对应的大特征值，为噪声子空间特征向量矩阵，为噪声之空间对应的小特征值。

10、（3）根据toeplitze性质构造非相干部分协方差矩阵：

11、

12、其中为反对角单位阵，对非相干部分协方差矩阵进行特征分解：

13、

14、其中，为特征值，为对应的特征向量，，，，，。

15、（4）构造矩阵，对进行特征分解，得到矩阵的大特征值对应的特征向量

16、

17、其中表示矩阵的特征值，表示对应的特征向量。

18、（5）估计目标的合成导向矢量。

19、5a）由空间平滑music方法得到的doa估计值为，得到对应导向矢量

20、5b）计算与的相关系数

21、

22、5c）已知期望信号直达波角度为，与相关系数最大值对应的为目标合成导向矢量的估计值，即

23、。

24、（6）计算目标的每条路径所对应的角度。

25、与相关系数较大的角度即为期望信号的多径角度之一，即

26、

27、从而得到期望信号的各路径角度估计集合

28、（7）构造斜投影矩阵。

29、7a）根据阵列的所有doa估计值和目标各路径的doa估计,得到有干扰(相干/不相干)的角度集合，所有干扰的导向矢量矩阵可以表述为如下形式

30、

31、7b）沿着导向矢量矩阵向合成导向矢量做投影的斜投影矩阵为

32、

33、其中，矩阵表示导向矢量矩阵正交投影算子，是维方阵，，表示维单位矩阵,矩阵是导向矢量矩阵的列向量表示的子空间的投影算

34、（8）实现阵列斜投影波束形成。

35、8a）斜投影波束形成方法的权矢量为

36、

37、8b）斜投影波束形成输出为

38、

39、本发明与现有技术相比，具有以下优点：

40、1、能利用目标多径信号提高目标信号的利用率。

41、传统波束形成在处理目标多径问题时，往往是将除直达波以外的其他路径作为干扰，并对其进行抑制。本方明的方法利用阵列雷达接收信号协方差矩阵的toeplitze性质，计算目标多路径合成导向矢量，进行波束形成，能有效利用目标的多路径信号。

42、2、能抑制相关及不相关干扰提高输出信号信干噪比。

43、传统多径利用方法一般认为干扰时不相关的，在估计合成导向矢量时，只存在一个目标合成导向矢量，然而在干扰相关时，目标和相关干扰合成导向矢量无法区分，导致波束形成指向错误。本发明方法利用相关性计算，将目标和所有干扰角度分开，正确区分目标和相关干扰合成导向矢量，更好的抑制干扰，提高波束形成输出信干噪比。

技术特征：

1.基于toeplitze性质的多径相干斜投影波束形成方法，其特征在于，包括如下：

2.根据权利要求1所述的基于toeplitze性质的多径相干斜投影波束形成方法，其特征在于，所述步骤1中，阵列雷达接收信号，得到回波数据，该回波数据，按如下步骤进行：

3.根据权利要求1所述的基于toeplitze性质的多径相干斜投影波束形成方法，其特征在于，所述步骤2中，计算阵列接收信号的协方差矩阵，对数据协方差矩阵进行特征分解，得到信号子空间，按如下步骤进行：

4.根据权利要求1所述的基于toeplitze性质的多径相干斜投影波束形成方法，其特征在于，所述步骤3中，构造非相干部分协方差矩阵，对非相干部分协方差矩阵进行特征分解，得到小特征值对应的特征矢量空间，按如下步骤进行：

5.根据权利要求1所述的基于toeplitze性质的多径相干斜投影波束形成方法，其特征在于，所述步骤4中，构造矩阵，对进行特征分解，按如下步骤进行：

6.根据权利要求1所述的基于toeplitze性质的多径相干斜投影波束形成方法，其特征在于，所述步骤5中，估计目标的合成导向矢量，按如下步骤进行：

7.根据权利要求1所述的基于toeplitze性质的多径相干斜投影波束形成方法，其特征在于，所述步骤6中，计算目标的每条路径所对应的角度，按如下步骤进行：

8.根据权利要求1所述的基于toeplitze性质的多径相干斜投影波束形成方法，其特征在于，所述步骤7中，构造斜投影矩阵，为所有干扰角度矢量矩阵，按如下步骤进行：

9.根据权利要求8所述的基于toeplitze性质的多径相干斜投影波束形成方法，其特征在于，所述步骤8中，通过斜投影矩阵确定雷达阵列的权矢量的方法为：

10.根据权利要求9所述的基于toeplitze性质的多径相干斜投影波束形成方法，其特征在于，所述步骤8中，斜投影波束形成输出为。

技术总结本发明公开了一种基于Toeplitze性质的多径相干斜投影波束形成方法，其方案是：阵列雷达接收信号，得到回波数据；计算阵列接收信号的协方差矩阵，对数据协方差矩阵进行特征分解，得到信号子空间；构造非相干部分协方差矩阵，对非相干部分协方差矩阵进行特征分解，得到小特征值对应的特征矢量空间；构造矩阵，对进行特征分解得到大特征值对应的特征向量；根据大特征值对应的特征向量和信号子空间估计目标的合成导向矢量；根据目标合成导向矢量计算目标的每条路径所对应的角度；根据目标合成导向矢量和多路径所对应角度，构造斜投影矩阵；利用斜投影矩阵实现斜投影波束形成。本发明可用于对多径环境中多径相干信号的有效接收。技术研发人员：郭玉梅,李强,许红受保护的技术使用者：杭州电子科技大学技术研发日：技术公布日：2024/9/2