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专利号: 2022111972463
申请人: 南京信息工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于因子矩阵先验的阵元失效MIMO雷达角度估计方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)对存在阵元失效的双基地MIMO雷达接收信号进行匹配滤波,得到虚拟阵列的输出信号 并计算获得虚拟阵列协方差矩阵R;

(2)利用虚拟阵列协方差矩阵 构造四阶协方差张量 将协方差张量 表示成张量CANDECOMP/PARAFAC分解模型;具体为:(2.1)双基地MIMO雷达虚拟阵列协方差矩阵 能够重新排列成一个四阶协方差张量*其中,(·) 表示共轭; 表示Tucker运算;

(2.2)重新调整因子矩阵 使得g中的元素都为1,此时将g消除得到协方差张量的简化表达式

(2.3)由于CP分解的置换和缩放效应的扰动,协方差张量 的因子矩阵表示为和

其中 和 表示四个因子

矩阵; 表示置换矩阵;Λ1、Λ2、Λ3和Λ4为P×P的实值对角矩阵,对角元素对应着缩放系数;N1、N2、N3和N4表示拟合误差;

(2.4)由于MIMO雷达的发射和接收导向矩阵At、Ar均为范德蒙德结构,而因子矩阵 和的每一个列向量是用不同的常数对At和Ar的对应列向量分别缩放得到的,因此当忽略拟(n)合误差项影响时,矩阵 和 也具有范德蒙德结构,即因子矩阵U ,n=1,…,4,具有范德蒙德结构;

(2.5)忽略拟合误差项的影响,得到因子矩阵之间的关系为 和其中对角矩阵 对角矩阵

(3)利用因子矩阵的范德蒙德结构特点、因子矩阵之间的相互关系以及张量的低CP秩,建立具有因子矩阵先验约束的张量填充模型;具体为:为有效恢复出失效阵元的缺失数据,利用因子矩阵的范德蒙德结构特点、因子矩阵之间的相互关系以及张量的低CP秩,建立用于失效阵元缺失数据恢复的张量填充模型:(n)

其中,M ,n=1,2,3,4,表示辅助矩阵,Ω表示不完整协方差张量 中已知非零元素的集合; 表示投影到集合Ω的投影算子;||·||*表示核范数;||·||F表示Frobenius范数;λ表示正则化参数; 表示块Hankel矩阵操作,定义为将矩阵 变换到块Hankel矩阵 的操作,其中,up表示U的第p列,p=

1,2,…,P;S1+S2=S+1; 表示Hankel操作,定义为将向量 变换为Hankel矩阵的操作,其中,S1+S2=S+1;

(4)为求解具有约束的张量填充模型,将步骤(3)中的张量填充模型转换无约束的增广拉格朗日函数形式;

(5)利用ADMM算法迭代求解步骤(4)中的增广拉格朗日函数,迭代结束时获得因子矩阵(1) (2) (3) (4)U ,U 和对角矩阵Δ ,Δ ;

(1) (2) (3) (4)

(6)根据因子矩阵U ,U 和对角矩阵Δ ,Δ ,利用Tucker运算构造出完整协方差张量 再通过对称厄米特展开还原为完整的协方差矩阵R,最后采用ESPRIT算法进行目标角度估计。

2.根据权利要求1所述的一种基于因子矩阵先验的阵元失效MIMO雷达角度估计方法,其特征在于,所述步骤(1)具体为:(1.1)双基地MIMO雷达的发射阵列和接收阵列皆为均匀线性阵列,分别由M个发射阵元和N个接收阵元组成;对阵元失效下双基地MIMO雷达所采集到的回波信号进行匹配滤波,经过脉冲积累后,获得MN个虚拟阵元输出的回波信号矩阵为:其中, 为在Q个快拍下虚拟阵列回波信号矩阵; 和 分别为P×Q

存在失效阵元时的发射阵列和接收阵列流形矩阵; 为高斯白噪声矩阵;S∈ 为目标系数矩阵,其中P为相互独立的远场目标;⊙表示Khatri‑Rao积;

(1.2)ΩT和ΩR分别为失效发射阵元和失效接收阵元的位置集合,当发射阵列中第pt∈ΩT个阵元出现故障时,其流形矩阵 中的第pt行全为零;当接收阵列中第pr∈ΩR个阵元出现故障时,流形矩阵 中的第pr行全为零;虚拟阵列协方差矩阵在Q脉冲周期下的最大似然估计为:H H

其中,(·) 表示共轭转置,Rs=SS /Q=diag(ρ)表示信号协方差矩阵,diag(ρ)表示由向量ρ生成的对角矩阵,ρ=[ρ1,ρ2,…,ρP],ρp,p=1,2,…,P,表示第p个目标的反射系数,表示噪声协方差矩阵。

3.根据权利要求1所述的一种基于因子矩阵先验的阵元失效MIMO雷达角度估计方法,其特征在于,所述步骤(4)具体为:将步骤(3)中的优化模型表示成无约束的增广拉格朗日函数形式:(3) (4)

其中,为了简洁表示,定义 ={Δ ,Δ }、 和(n)

β>0表示惩罚系数;D 表示拉格朗日乘子矩阵,n=1,2,3,4;<·>表示内积。

4.根据权利要求1所述的一种基于因子矩阵先验的阵元失效MIMO雷达角度估计方法,其特征在于,所述步骤(5)具体为:利用交替方向乘子算法迭代求解步骤(4)中的优化问题,其中第k次迭代更新变量和 的步骤如下:(5 .1)在第k次迭代中,通过求解优化问题 来更新变量(1) (2)

将子问题转化为关于求解U 和U 的凸优化问题:T

式中, (·) 表示转置;R(n)和 分别为张量和 的模式n展开;凸优化问题(3)的解满足:其中,

(n) (n)

表示 的逆变换;通过求解U 每一行的闭式解来获得U 的解;令(n)

和Wi=diag(Ω (i,:)),i∈{1,2,…,In};当n=1时,I1=M;当n=

2时,I2=N;则式(4)能够转化为:(n) (n) (n)H (n)

λU (i,:)Pk WiPk +βkU (i,:)=C(i,:)(5)(n) (n) (n)

式中,U (i,:)表示矩阵U 第i行;C(i,:)表示矩阵C中第i行,因此,行向量U (i,:)的闭式解表示为:(n) (n) (n)H ‑1

U (i,:)=C(i,:)[λPk WiPk +βkI] (6)(n) (n) (n) T (n)

然后,通过求解U 的每一行 得到因子矩阵U =[(U (i,:)) L (UT T

(In,:)) ],n=1,2;

(3) (4)

(5.2)关于求解Δ={Δ ,Δ }的凸优化问题表示为:类似地,该凸优化问题的解满足:

式(8)能够进一步表示为:

式中, 为求解第i个方程组所得到的对角矩阵,n=3,4,i=1,2,…,In且当n=3(n)时,I3=M,当n=4时,I4=N;因此Δi 的闭式解能够表示为:(n) (n)

其中, 表示广义逆;为减小估计误差,对Δi 取平均作为Δ 的解:(5.3)关于变量 的优化问题表示为:利用SVT算法求解矩阵核范数最小化问题,上述优化问题的解为:其中, 为奇异值软阈值收缩算子,1/βk为阈值;

(5.4)变量 的更新表达式为:

(5.5)更新β的表达式为βk+1=ρβk。

5.根据权利要求1所述的一种基于因子矩阵先验的阵元失效MIMO雷达角度估计方法,其特征在于,所述步骤(6)具体为:(1) (2) 3 4

根据步骤(5)得到的因子矩阵U ,U 和对角矩阵Δ(),Δ(),利用Tucker运算构造出完整协方差张量 并将 通过对称厄米特展开为协方差矩阵,最后再利用ESPRIT算法估计出目标角度。

6.一种计算机存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1‑5中任一项所述的基于因子矩阵先验的阵元失效MIMO雷达角度估计方法。

7.一种计算机设备,包括储存器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1‑5中任一项所述的基于因子矩阵先验的阵元失效MIMO雷达角度估计方法。