基于交替下降OG-IAA的雷达波达方向估计方法

本发明属于雷达，更进一步涉及雷达参数估计中的一种基于交替下降的离网格迭代自适应算法og-iaa(off-grid iterative adaptiveapproach)的雷达波达方向估计方法。本发明可用于对阵列雷达回波信号进行波达方向估计doa(directionofarrival)。

背景技术：

1、波达方向估计是阵列信号处理的重要组成部分，在雷达、通信、电子对抗、生物医学等领域发挥着重要的作用。基于交替下降的波达方向估计方法需要选择一个稀疏度量，在预定义的离散字典网格上进行信号的重构。迭代自适应算法iaa(iterativeadaptiveapproach)作为一种doa估计方法凭借优良的性能得到广泛关注，该算法以加权最小二乘法为代价函数，类似于寻找一个线性无偏估计器，仅需要单次快拍回波信号估计信号协方差矩阵，不断迭代更新信号幅度及功率，即使处理相干信源也具备较高的准确性，但是该算法仅能准确估计位于预定义的角度网格点上的信源，对于偏离角度网格点的信源会产生较大的误差。

2、北京科技大学、成都信息工程大学在其共同申请的专利文献“用于无线信号的高分辨率窄带doa估计算法及实现方法”(申请号：cn 202110573650.5申请日：2021.05.25授权公告号：cn 113420411 b)中公开了一种用于无线信号的高分辨率窄带doa估计算法及实现方法。该方法的实现步骤是，首先，建立二维天线阵列数据模型，在二维均匀矩形阵列模型中，仅在平面角俯仰角的回波方向范围内存在接收信号并将该范围均匀划分成不同的角度网格点；其次，利用二维iaa算法获取信号功率谱，确定接收信号的回波方向范围；最后，通过gram-schmidt正交化分解和2-dfft方法降低快速迭代自适应算法siaa(swiftiterativeadaptive approach)的运算复杂度，完成波达方向估计。但是，该方法仍然存在的不足之处是，该方法不能估计偏离预定义角度网格点的波达方向，而实际情况中波达方向是随机的，不一定存在于预定义的角度网格点，故无法实现精确的doa估计。

3、揭允康等人在其发表论文“一种基于迭代自适应的离网格doa估计方法”(电子与信息学报，2023，45(10)：3805-3811)针对真实信源位置与字典网格不匹配导致波达方向估计误差较大，提出一种基于修正迭代自适应功率谱算法的离网格doa估计方法。该方法的实现步骤是，第一步，通过修正迭代自适应算法得到信号功率谱，读出功率峰值的对应网格角度作为粗估计结果；第二步，利用平方误差代价函数，将代价函数二阶泰勒展开并最小化得到初始偏移量；第三步，交替优化功率分量和偏移量，实现高精度的离网格doa估计。该方法仍然存在的不足之处是，其交替优化过程需要进行多次iaa估计，且其需要多次快拍精确估计噪声功率，计算量和运算时间显著增大，工程实现的实时性差。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提出一种基于交替下降og-iaa的雷达波达方向估计方法，用于解决现有技术中快速迭代自适应算法不能估计偏离预定义角度网格点的波达方向，无法实现精确doa估计的问题，以及基于迭代自适应的离网格doa估计方法中交替优化过程需要进行多次iaa估计且其需要多次快拍精确估计噪声功率，造成计算量和运算时间增大的问题。

2、为实现上述目的，本发明的思路是：本发明通过获得单快拍回波信号及字典矩阵简单估计初始化空间功率谱。构造辅助字典矩阵，利用一阶泰勒展开近似偏离预定义角度网格点的波达方向的导向矢量，求解波达方向的角度偏移量并更新重构字典矩阵，解决了快速迭代自适应算法不能估计偏离预定义角度网格点的波达方向，无法实现精确doa估计这一问题，便于工程实现。本发明交替优化空间幅度谱和波达方向的角度偏移量，不断更新重构字典矩阵并达到稳定收敛状态，避免了基于迭代自适应的离网格doa估计方法中交替优化过程需要进行多次iaa估计且其需要多次快拍精确估计噪声功率这一问题，降低了算法计算量及运算时间，从而提高了doa估计方法的性能。利用单快拍回波数据及字典矩阵，估计初始化空间功率谱，再在iaa迭代过程中交替优化空间幅度谱和波达方向的角度偏移量，不断更新重构字典矩阵，这一过程形成了交替下降og-iaa用以估计波达方向。

3、为实现上述目的，本发明采用的技术方案包括如下步骤：

4、步骤1，将空间划分为均匀的角度网格点，构造字典矩阵，获得单快拍回波信号；

5、步骤2，估计初始化空间功率谱；

6、步骤3，进行iaa迭代获得当前迭代后的空间幅度谱和空间功率谱；

7、步骤4，构造辅助字典矩阵，利用一阶泰勒展开近似偏离预定义角度网格点的波达方向的导向矢量；

8、步骤5，求解波达方向的角度偏移量并更新重构字典矩阵；

9、步骤6，判断当前偏移量是否满足终止条件，若是，则执行步骤7，否则，执行步骤3；

10、步骤7，将作为波达方向估计的结果，其中，θl表示当前迭代过程中雷达接收回波信号的空间中第l个角度网格点上的波达方向，δl表示当前迭代过程中第l个角度网格点上波达方向的角度偏移量。

11、本发明与现有技术相比有以下优点：

12、第1，由于本发明构造的辅助字典矩阵，利用一阶泰勒展开近似偏离预定义角度网格点的波达方向的导向矢量，求解波达方向的角度偏移量并更新重构字典矩阵，解决了现有技术的快速迭代自适应算法不能估计偏离预定义角度网格点的波达方向，无法实现精确doa估计的难题，使得本发明便于处理工程的实际情况。

13、第2，由于本发明交替优化空间幅度谱和波达方向的角度偏移量，不断更新重构字典矩阵并达到稳定收敛状态，避免了现有技术基于迭代自适应的离网格doa估计方法中交替优化过程需要进行多次iaa估计，且其需要多次快拍精确估计噪声功率这一问题，使得本发明降低了算法计算量，从而提高了doa估计方法的性能及其效率。

技术特征：

1.一种基于交替下降og-iaa的雷达波达方向估计方法，其特征在于，利用一阶泰勒展开近似偏离预定义角度网格点的波达方向的导向矢量，应用迭代自适应算法，交替优化空间幅度谱和偏移量，不断更新重构字典矩阵直至稳定并输出波达方向估计结果；该波达方向估计方法具体步骤包括如下：

2.根据权利要求1所述的基于交替下降og-iaa的雷达波达方向估计方法，其特征在于，步骤1中所述的将空间划分为均匀的角度网格点指的是，依据雷达阵列的基本参数及空间稀疏性的概念，将雷达接收回波信号的空间以等间隔r划分为m个角度网格点，其中，r的取值为小于或等于5的一个正数，m的取值为

3.根据权利要求2所述的基于交替下降og-iaa的雷达波达方向估计方法，其特征在于，步骤1中所述的字典矩阵如下：

4.根据权利要求3所述的基于交替下降og-iaa的雷达波达方向估计方法，其特征在于，步骤2中所述的估计初始化空间功率谱的步骤如下：

5.根据权利要求4所述的基于交替下降og-iaa的雷达波达方向估计方法，其特征在于，步骤3中所述的获得空间幅度谱和空间功率谱的步骤如下：

6.根据权利要求5所述的基于交替下降og-iaa的雷达波达方向估计方法，其特征在于，步骤4中所述的构造辅助字典矩阵的步骤如下：

7.根据权利要求6所述的基于交替下降og-iaa的雷达波达方向估计方法，其特征在于，步骤4中所述的利用一阶泰勒展开近似偏离预定义角度网格点的波达方向的导向矢量是由下式完成的：

8.根据权利要求7所述的基于交替下降og-iaa的雷达波达方向估计方法，其特征在于，步骤5中所述的求解波达方向的角度偏移量是由下式得到的：

9.根据权利要求8所述的基于交替下降og-iaa的雷达波达方向估计方法，其特征在于，步骤5中所述的重构字典矩阵是由下式得到的：

10.根据权利要求9所述的基于交替下降og-iaa的雷达波达方向估计方法，其特征在于，步骤6中所述的终止条件是指满足下述条件之一的情形：

技术总结本发明公开了一种基于交替下降OG‑IAA的雷达波达方向估计方法，构造的辅助字典矩阵，利用一阶泰勒展开近似偏离预定义角度网格点的波达方向的导向矢量，借助IAA迭代获得空间幅度谱及DOA的角度偏移量并更新重构字典矩阵。本发明利用单快拍回波信号及字典矩阵，估计初始化空间功率谱，再在IAA迭代过程中交替优化空间幅度谱和波达方向的角度偏移量，不断更新重构字典矩阵，这一过程形成了交替下降OG‑IAA。本发明方法可以估计偏离预定义的角度网格点的波达方向，仅利用一次IAA估计交替优化空间幅度谱和角度偏移量，减小了算法计算量，便于工程实现。技术研发人员：赵永波,李淑玉受保护的技术使用者：西安电子科技大学技术研发日：技术公布日：2024/12/2