MIMO雷達(dá)參數(shù)估計(jì)方法研究.pdf

1、多輸入多輸出(MIMO—Multiple-Input Multiple-Output)雷達(dá)是近年來國內(nèi)外研究的一個(gè)熱點(diǎn),其基本思想是在發(fā)射端各個(gè)發(fā)射單元同時(shí)發(fā)射不相關(guān)或正交的信號(hào),在接收端通過匹配濾波分離出各個(gè)發(fā)射單元的信號(hào)后進(jìn)行更靈活處理,以提高雷達(dá)性能。目前MIMO雷達(dá)主要分為兩大類:小尺度相干MIMO雷達(dá),其收發(fā)陣列規(guī)模小(稱為小尺度),各個(gè)收(發(fā))陣元到目標(biāo)視線近似平行,目標(biāo)相對(duì)于收(發(fā))陣列具有相同的波達(dá)方向,與傳統(tǒng)的相控陣?yán)?/p>

2、達(dá)相比,這類雷達(dá)能提供更多的系統(tǒng)自由度,進(jìn)而提高目標(biāo)的可辨識(shí)度及參數(shù)估計(jì)性能；另一類是大尺度非相干MIMO雷達(dá),其收發(fā)陣列規(guī)模足夠大(稱為大尺度),觀測(cè)到目標(biāo)的RCS不同,從而獲得接收和發(fā)射兩方面的空間分集增益,且在信噪比較高時(shí),可使閃爍目標(biāo)的檢測(cè)性能有較大的提高。本論文主要研究了相干處理MIMO雷達(dá)參數(shù)估計(jì)方面的問題,主要工作總結(jié)如下:
　　 1.圍繞MIMO雷達(dá)利用發(fā)射孔徑自由度提高雷達(dá)參數(shù)估計(jì)精度的思想,研究了MIMO雷達(dá)

3、的工作機(jī)理。針對(duì)單基MIMO雷達(dá)陣列流形存在冗余以及同時(shí)利用收發(fā)孔徑自由度導(dǎo)致計(jì)算復(fù)雜度增大的問題,提出了去冗余ESPRIT類降維處理方法和基于二維快速傅里葉變換(2D—FFT,Fast Fourier Transform)的降維波達(dá)方向-多普勒聯(lián)合估計(jì)方法。去冗余ESPRIT類降維處理方法避免了角度搜索和相位解纏繞,在一定程度上提高了波達(dá)方向和多普勒頻率的估計(jì)精度?；?D-FFT的的數(shù)據(jù)分塊方法對(duì)每個(gè)接收陣元的接收數(shù)據(jù)分塊作2D-F

4、FT,將各個(gè)分塊的頻域數(shù)據(jù)相干積累,找到峰值點(diǎn),然后在各個(gè)分塊找到峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)構(gòu)成頻域快拍,利用該降維后的頻域數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)波達(dá)方向和多普勒頻率的聯(lián)合估計(jì)。該方法具有較高的分辨率,且不需要對(duì)陣元級(jí)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)方差矩陣的估計(jì)及其特征分解,運(yùn)算復(fù)雜度低,尤其當(dāng)陣元數(shù)和快拍數(shù)都較多時(shí),優(yōu)越性更加顯著。
　　 2.針對(duì)雙基MIMO雷達(dá),提出了在接收端同時(shí)實(shí)現(xiàn)發(fā)射角度(DOD,Directionof Departure)和接收角度(D

5、OA,Direction of Arrival)聯(lián)合估計(jì)的幾種方法,包括利用發(fā)射陣或接收陣單元形成旋轉(zhuǎn)因子實(shí)現(xiàn)了DOD和DOA自動(dòng)配對(duì)的無需陣列平移的ESPRIT類聯(lián)合估計(jì)方法、多天線發(fā)射兩天線接收的聯(lián)合MUSIC-ESPRIT方法和DOD-DOA聯(lián)合估計(jì)分維處理方法,實(shí)現(xiàn)了低復(fù)雜度的多維參數(shù)估計(jì)。其中基于2階矩和基于4階累積量的MUSIC-ESPRIT方法能有效地實(shí)現(xiàn)白噪聲和色噪聲背景下的多目標(biāo)角度估計(jì)。在接收端,通過單天線的MUSI

6、C和雙天線的ESPRIT算法分別估計(jì)目標(biāo)的DOD和DOA,將兩維參數(shù)估計(jì)轉(zhuǎn)化為兩個(gè)一維形式,降低了運(yùn)算量和計(jì)算復(fù)雜度。
　　 3.研究了長(zhǎng)期困擾理論上高性能陣列技術(shù)應(yīng)用的陣列誤差校正與陣列處理穩(wěn)健性問題。針對(duì)與信號(hào)波達(dá)方向無關(guān)的幅相誤差問題,提出了雙基地MIMO雷達(dá)多目標(biāo)角度和幅相誤差聯(lián)合估計(jì)方法。該方法利用聯(lián)合對(duì)角化估計(jì)含誤差的接收和發(fā)射陣列流形,并通過最小化相位誤差的平方和,分別得到DOD和DOA的估計(jì),再利用估計(jì)得到的角度

7、,通過幅相誤差自校正算法得到幅相誤差估計(jì)的閉式解。該方法不需要幅相誤差的先驗(yàn)知識(shí),對(duì)誤差具有一定的穩(wěn)健性。針對(duì)存在互耦的情況,提出了雙基地MIMO雷達(dá)互耦自校正方法。該方法利用等距線陣下互耦矩陣的Toeplitz特性和聯(lián)合收發(fā)導(dǎo)向矢量Kronecker直積的性質(zhì),將兩維角度搜索轉(zhuǎn)化為兩個(gè)一維搜索,從而降低了運(yùn)算量,再根據(jù)估計(jì)得到的角度可得等效的收發(fā)互耦系數(shù),并通過奇異值分解估計(jì)發(fā)射陣列和接收陣列的互耦系數(shù)。
　　 4.針對(duì)機(jī)載M

8、IMO雷達(dá)目標(biāo)參數(shù)估計(jì)性能受到譜展寬的地物雜波嚴(yán)重影響的問題,研究了基于最大似然的目標(biāo)波達(dá)方向和多普勒頻率聯(lián)合估計(jì)方法。該方法直接利用接收數(shù)據(jù)的最大似然函數(shù)估計(jì)目標(biāo)參數(shù),但涉及兩維搜索,運(yùn)算量大。為了降低最大似然的計(jì)算復(fù)雜度,提出了基于二維離散傅里葉變換(2D-DFT,Discrete Fourier Transform)的波達(dá)方向.多普勒頻率聯(lián)合估計(jì)方法和基于空時(shí)自適應(yīng)單脈沖近似實(shí)現(xiàn)的波達(dá)方向.多普勒頻率估計(jì)方法,顯著降低了運(yùn)算量。<