MIMO雷達(dá)波形優(yōu)化與信號處理方法研究.pdf

1、多輸入多輸出(MIMO，Multiple-Input Multiple-Output)雷達(dá)使用多個發(fā)射天線分別發(fā)射不同的信號同時照射目標(biāo)，同時使用多個接收天線系統(tǒng)來接收并處理目標(biāo)回波信號。根據(jù)天線布陣的間距大小，MIMO雷達(dá)可以分為集中式MIMO雷達(dá)和統(tǒng)計MIMO雷達(dá)。集中式MIMO雷達(dá)又可以分為單基地MIMO雷達(dá)和雙基地MIMO雷達(dá)。統(tǒng)計MIMO雷達(dá)又可以分為發(fā)射分集MIMO雷達(dá)和收發(fā)全分集MIMO雷達(dá)。集中式MIMO雷達(dá)能夠改善參數(shù)

2、分辨和估計性能、實現(xiàn)更為靈活的發(fā)射方向圖設(shè)計。統(tǒng)計MIMO雷達(dá)通過利用目標(biāo)角度分集的統(tǒng)計特性能夠提高目標(biāo)檢測性能、通過相干處理方法提供高分辨的目標(biāo)定位和參數(shù)估計性能。本文研究了MIMO雷達(dá)的波形優(yōu)化與信號處理方法等方面的問題。主要工作包括以下幾個方面：
　　 1.針對空目標(biāo)的距離高分辨MIMO雷達(dá)體制下，目標(biāo)回波可能跨越多個距離單元的問題，提出了一種基于遺傳算法的類零相關(guān)正交多相碼設(shè)計方法。該方法選擇零相關(guān)碼集為初始群體，然后針

3、對零相關(guān)碼的特性，對遺傳算法的交叉和變異操作進行了優(yōu)化設(shè)計。該方法能夠把相關(guān)信號能量向遠(yuǎn)離主瓣的區(qū)域擠壓，有效地降低了主瓣附近零相關(guān)區(qū)域自相關(guān)旁瓣和互相關(guān)的峰值。
　　 2.分析了發(fā)射分集MIMO雷達(dá)的目標(biāo)回波相關(guān)性。分別在SwerlingⅠ和Ⅱ目標(biāo)散射模型下，分析了多個目標(biāo)回波之間的相關(guān)性。分析得到，在SwerlingⅡ目標(biāo)散射模型下，目標(biāo)回波是不相關(guān)的；在SwerlingⅠ目標(biāo)散射模型下，目標(biāo)回波是相關(guān)的。給出了在Swerl

4、ingⅠ目標(biāo)散射模型下使目標(biāo)回波相關(guān)性隨著發(fā)射陣元數(shù)的增加而降低的條件。結(jié)果表明該條件與發(fā)射信號有關(guān)。
　　 3.提出了一種分兩步進行最小冗余(MR，Minimum Redundancy)MIMO雷達(dá)設(shè)計的方法：第一步在保證虛擬孔徑達(dá)到一定長度的條件下，使得系統(tǒng)總陣元數(shù)最??；第二步在保持系統(tǒng)總陣元數(shù)不變的前提下，優(yōu)化發(fā)射陣元數(shù)和接收陣元數(shù)的配置與發(fā)射陣列和接收陣列的布陣，使得系統(tǒng)的虛擬孔徑最大。該方法降低系統(tǒng)布陣優(yōu)化的計算量。研

5、究表明，最小冗余MIMO雷達(dá)的增廣協(xié)方差矩陣無法保證具有非負(fù)定特性，而增廣協(xié)方差矩陣的負(fù)定特性會使Capon譜估計方法失效。針對這一問題，提出了一種對增廣協(xié)方差矩陣進行自適應(yīng)對角加載的Capon估計方法。該方法根據(jù)增廣協(xié)方差矩陣最小特征值的大小來判定是否進行對角加載以及加載量的大小，從而使Capon估計方法具有穩(wěn)健性。
　　 4.針對傳統(tǒng)雙基地雷達(dá)測高系統(tǒng)配置復(fù)雜的問題，提出了一種通過雙基地MIMO雷達(dá)，利用虛擬陣元技術(shù)進行目標(biāo)

6、高度測量的方法。該方法在接收端估計目標(biāo)相對于發(fā)射陣列和接收陣列的角度，然后利用獲得的角度進行目標(biāo)高度測量。與傳統(tǒng)的雙基地雷達(dá)測高方法不同，該方法既不需要發(fā)射端和接收端之間的時間同步，也不需要收發(fā)兩端之間傳輸數(shù)據(jù)，從而簡化了系統(tǒng)的配置。另外，在多目標(biāo)情況下，該方法估計的角度能夠自動配對，從而避免了目標(biāo)模糊。在存在空域色噪聲的情況下，提出了一種基于類ESPRIT的雙基地MIMO雷達(dá)空間色噪聲對消的方法。該方法利用了同一個噪聲信號通過不同正交

7、信號匹配濾波器后具有正交性的特點，消除了空域色噪聲對角度估計的影響，提高了角度估計性能。
　　 5.研究了收發(fā)全分集(分布式)MIMO雷達(dá)的目標(biāo)定位相干信號處理方法。提出采用窄帶雙頻發(fā)射，在接收端通過雙頻信號來消除復(fù)反射系數(shù)相位的影響，所以該方法能夠使分布式MIMO雷達(dá)實現(xiàn)相干處理。另外，該方法能夠消除目標(biāo)運動引起的多普勒頻率對接收信號相位的影響。分析了所提方法目標(biāo)定位的克拉美羅界(CRB，Cramer-Rao Bound)，得