MIMO雷達模型與信號處理研究.pdf

1、多輸入多輸出(MIMO，Multiple—Input Multiple—Output)雷達使用多天線發(fā)射多重探測信號照射目標，并利用多天線接收目標反射的后向散射回波信號。與傳統(tǒng)的相控陣雷達相比，MIMO雷達可以顯著改善參數(shù)可辨識性，實現(xiàn)更為靈活的發(fā)射方向圖設計，改進目標檢測和參數(shù)估計性能，并可通過采用更靈活的發(fā)射波形設計以提高檢測和估計性能。本文研究了MIMO雷達的模型、信號檢測、參數(shù)估計以及優(yōu)化波形設計等方面問題。 本文的主要

2、工作包括以下幾方面。 1．本文系統(tǒng)地研究和總結了現(xiàn)有的MIMO雷達信號模型，包括波形分集的共址MIMO雷達、發(fā)射和接收空間全分集的統(tǒng)計MIMO雷達和僅發(fā)射分集的統(tǒng)計MIMO雷達，以及基于共址MIMO雷達的MIMO—STAP雷達模型。在此基礎上，本文在僅發(fā)射分集統(tǒng)計MIMO雷達的接收陣列引入了目標的角度擴展，提出了使用非相干子陣的共址MIMO雷達的等效模型，將MIMO—STAP模型拓展到多目標情況。 2．在共址MIMO雷達

3、模型中，目標被建模為點目標，因此發(fā)射和接收的信號都是完全相干的；而在統(tǒng)計MIMO雷達模型中，目標被建模為具有豐富散射的擴展目標，因此發(fā)射和接收的信號分別是完全不相關的。本文在MIMO雷達模型中考慮了空間部分相干性，即陣列發(fā)射信號通過有限的路徑照射到目標的多個散射點，而目標散射點的后向回波信號也通過有限的路徑被陣列接收，因此目標相對于發(fā)射和接收陣列表現(xiàn)為有限的角度擴展。本文提出了MIMO雷達的參數(shù)物理模型來描述這種空間部分相干性。

4、 3．現(xiàn)有的共址MIMO雷達模型、發(fā)射和接收全分集的和僅發(fā)射分集的統(tǒng)計MIMO雷達模型都是建立在實際物理散射過程的描述上。利用這些模型不便于獲得目標散射特性的整體性質，因此在處理諸如優(yōu)化波形設計等需要利用目標散射特性的問題時，需要特定的復雜技術。在MIMO雷達的參數(shù)物理模型的基礎上，并借鑒MIMO無線通信理論和陣列信號處理中的波束域理論，本文提出了MIMO雷達的虛擬表示模型。這種表示方法是通過將各方向的探測信號以及目標在各方向的物理散射

5、分別投影到固定的傅里葉方向，并利用虛擬的等效信道矩陣來描述目標的整體散射特性。 4．在MIMO雷達的虛擬表示模型基礎上，本文進一步提出了MIMO雷達的標準模型。該模型將各方向的探測信號以及目標在各方向的物理散射分別投影到發(fā)射和接收特征方向，并利用散射矩陣來描述目標的整體散射特性。該模型提供了共址MIMO雷達模型、統(tǒng)計MIMO雷達模型，以及具有空間部分相干的MIMO雷達模型的統(tǒng)一描述，并有助于獲得廣泛適用的優(yōu)化波形設計方案。

6、 5．對于具有空間部分相干性的發(fā)射分集統(tǒng)計MIMO雷達，利用空間相干矩陣的Toeplitz結構、Toeplitz矩陣與輪換矩陣的漸近等價性，以及離散傅里葉變換矩陣對輪換矩陣的對角化性質，本文提出了一種具有較低計算量的漸近優(yōu)化檢測算法。 6．對共址MIMO雷達，本文研究了Capon、APES、GLRT和發(fā)射分集平滑等目標角度估計算法。對于使用非相干子陣的共址MIMO雷達，本文提出了一種結合發(fā)射分集平滑技術和廣義MUSIC算法的參

7、數(shù)估計算法。該算法不僅具有高分辨的角度估計性能，而且可根據(jù)需要選擇使用某些特定的非相干子陣，從而實現(xiàn)靈活的發(fā)射和接收分集。 7．對于僅發(fā)射分集統(tǒng)計MIMO雷達，基于準靜態(tài)衰落的假設下，本文提出了目標角度和衰落向量參數(shù)估計的兩種漸近最大似然估計算法、CAPES算法、以及衰落向量參數(shù)估計的穩(wěn)健的APES算法；基于目標隨機快速衰落的假設，本文提出了子空間算法和協(xié)方差匹配技術兩種方法；本文也將盲信號處理技術應用于MIMO雷達的參數(shù)估計問

8、題中。仿真實驗表明，發(fā)射分集可有效改善目標的角度估計性能。 8．基于MIMO雷達標準模型，本文應用極大化條件互信息量和極小化最小均方誤差兩種準則實現(xiàn)了MIMO雷達的優(yōu)化估計波形的設計(designs of optimalestimation waveforms)。該設計結果不僅適用于統(tǒng)計MIMO雷達模型，還適于具有部分空間相干性的共址MIMO雷達。本文也提出將。Kronecker結構的矩陣估計技術用于解決MIMO雷達的優(yōu)化估計波