本发明涉及涉及雷达探测与参数估计，尤其是一种宽带毫米波流速测量雷达装置与高精度测向方法。
背景技术：
1、为了实现高精度的河流流量数据，除了当前接触式的流量测量方法，最近几年基于非接触式的侧扫雷达方法得到了业内的关注，工作频率低于1ghz的侧扫雷达能够实现基本的河流表面流速测量，但是由于工作频率较低，带宽较窄，所以流速测量精度较差。难以满足高精度流量测试的需求，亟需更高精度的流量测试设备。在河流表面流速测试过程中，首先发射电磁波打到水面上，然后通过电磁波的回波信号实现对河流表面流速的估计，而其中关键过程是反射电磁波的方位信息（direction of arrival，doa），该方位信息可以用于精确获取反射电磁波的位置，从而在不同位置的河流表面获取相应的流速信息，实现对河流表面流速的全方位估计。为了提升河流表面流速的估计性能，亟需实现基于宽带信号的流速感知装置与宽带信号的高精度信号方位估计方法。
技术实现思路
1、为了解决现有技术的不足，本发明提出了一种宽带毫米波流速测量雷达装置与高精度测向方法。本发明采用如下技术方案：一种宽带毫米波流速测量雷达装置，包括发射毫米波阵列天线、接收毫米波阵列天线、信号发射器、信号处理器，所述信号发射器依次通过发射混频器、移相器、功率放大器、发射滤波器连接发射毫米波阵列天线；所述接收毫米波阵列天线依次通过接收滤波器、接收放大器、正交混频器、模拟数字转换器连接信号处理器；所述信号处理器中完成对雷达发射信号的控制以及接收信号的处理。 进一步地，所述发射毫米波阵列天线、接收毫米波阵列天线为不同的天线阵列，且收发天线之间的隔离达到 40db 以上。进一步地，所述信号处理器由 fpga 或 dsp 构成。进一步地，所述信号处理器发射信号的控制实现对宽带毫米波射频信号产生的控制并与接收信号处理同步，在接收处理过程中实现对接收信号的采样、滤波、降采样、存储、流速反演计算、信号回波方位（direction of arrival，doa）计算功能。
2、采用上述一种宽带毫米波流速测量雷达装置的高精度测向方法，其特征在于，包括如下步骤：
3、步骤一：输入基本信息：
4、阵列天线接收信号，天线数量，来波信号个数，信号带宽， 最高载波频率；
5、步骤二：初始化：
6、信号索引，离散化空域角度，余量参数，支撑集；
7、步骤三：算法步骤：
8、1. 针对接收信号进行 dft（离散傅里叶变换），获得频域信号；
9、2. 分别构建不同频点的字典矩阵；
10、3. 将 doa（信号回波方位）估计问题构建为最优化问题
11、；
12、4. 重复算法步骤 1-3，直到遍历所有的来波信号；
13、5. 确定最大值索引；
14、6. 更新支撑集：；
15、7. 计算频域信号正交投影余量；
16、8. 根据当前支撑集，输出 doa 估计结果；
17、步骤四：输出 doa 估计结果。
18、针对毫米波阵列的宽带信号实现高精度的来波方向估计，当天线之间的间隔为，天线 数量为，同时存在多个来波信号时，假设来波信号个数为，第个来波信号可以表示为，则第个天线的接收信号可以表示为
19、；
20、其中，表示加性高斯白噪声，表示第个天线接收到第个来波信号的相对第0 个天线的时延。
21、所述算法步骤 1 中经过离散傅里叶变换后，第个频点的频域信号可以表示为
22、；
23、其中，为噪声信号的频域表示，为第个信号方位，宽带信号的导向矢量为
24、；
25、来波信号的频域表达式为
26、；
27、其中，为采样周期，为采样点数。
28、所述算法步骤 2 中，接收信号模型基础上，实现基于稀疏重构的高精度信号方位估计， 针对不同频点构建不同的字典矩阵
29、；
30、其中，表示离散化空域角度，为离散化角度个数。由于宽带信号中包含的各个频点信号包含方位信息相同，可以将信号方位估计问题转化为如下的稀疏重构问题
31、；
32、其中，为稀疏向量，只有在目标方位对应的离散化空域角度位置有非零值，其余值为零，为正则化系数。
33、所述算法步骤 5 中，采用迭代方法进行求解，在迭代过程中更新支撑集的方式为
34、；
35、其中，为接收信号余量。
36、采用如上技术方案取得的有益技术效果为：
37、本发明通过构建不同频点的字典矩阵，并采用稀疏重构技术，将 doa 估计问题转化为稀疏重构问题，利用迭代方法求解，有效提升了方位估计的精度。
38、仿真结果表明，所提方法在不同信噪比、天线个数、带宽、快拍数和网格间隔条件下均展现出优越的 doa 估计性能，尤其在宽带特性方面，明显优于现有算法。
39、本发明的技术方案不仅提高了流速测量的精度，而且由于装置便于安装，能够实现全方位的流速测量，具有广阔的应用前景。
1.一种宽带毫米波流速测量雷达装置的高精度测向方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求 1 所述的宽带毫米波流速测量雷达装置的高精度测向方法，其特征在于，针对毫米波阵列的宽带信号实现高精度的来波方向估计，当天线之间的间隔为，天线数量为，同时存在多个来波信号时，假设来波信号个数为，第个来波信号可以表示为，则第个天线的接收信号可以表示为
3.根据权利要求1所述的宽带毫米波流速测量雷达装置的高精度测向方法，其特征在于，所述算法步骤 1 中经过离散傅里叶变换后，第个频点的频域信号可以表示为
4.根据权利要求 1 所述的宽带毫米波流速测量雷达装置的高精度测向方法，其特征在于，所述算法s2 中，接收信号模型基础上，实现基于稀疏重构的高精度信号方位估计，针对不同频点构建不同的字典矩阵
5.根据权利要求 1 所述的宽带毫米波流速测量雷达装置的高精度测向方法，其特征在于， 所述算法s5 中，采用迭代方法进行求解，在迭代过程中更新支撑集的方式为
6.一种宽带毫米波流速测量雷达装置，其特征在于，用于实现权利要求1-5所述的高精度测向方法，包括发射毫米波阵列天线、接收毫米波阵列天线、信号发射器、信号处理器，所述信号发射器依次通过发射混频器、移相器、功率放大器、发射滤波器连接发射毫米波阵列天线；所述接收毫米波阵列天线依次通过接收滤波器、接收放大器、正交混频器、模拟数字转换器连接信号处理器；所述信号处理器中完成对雷达发射信号的控制以及接收信号的处理。
7.根据权利要求6所述的一种宽带毫米波流速测量雷达装置，其特征在于，所述发射毫米波阵列天线、接收毫米波阵列天线为不同的天线阵列，且收发天线之间的隔离达到40db以上。
8.根据权利要求6所述的一种宽带毫米波流速测量雷达装置，其特征在于，所述信号处理器由fpga或dsp构成。
9.根据权利要求6所述的一种宽带毫米波流速测量雷达装置，其特征在于，所述信号处理器发射信号的控制实现对宽带毫米波射频信号产生的控制并与接收信号处理同步，在接收处理过程中实现对接收信号的采样、滤波、降采样、存储、流速反演计算、信号回波方位（direction of arrival，doa）计算功能。
