MIMO雷達(dá)波形優(yōu)化與信號(hào)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(gè)發(fā)射天線分別發(fā)射不同的信號(hào)同時(shí)照射目標(biāo)，同時(shí)使用多個(gè)接收天線系統(tǒng)來(lái)接收并處理目標(biāo)回波信號(hào)。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(jì)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(jì)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(jì)性能、實(shí)現(xiàn)更為靈活的發(fā)射方向圖設(shè)計(jì)。統(tǒng)計(jì)MIMO雷達(dá)通過(guò)利用目標(biāo)角度分集的統(tǒng)計(jì)特性能夠提高目標(biāo)檢測(cè)性能、通過(guò)相干處理方法提供高分辨的目標(biāo)定位和參數(shù)估計(jì)性能。本文研究了MIMO雷達(dá)的波形優(yōu)化與信號(hào)處理方法等方面的問(wèn)題。主要工作包括以下幾個(gè)方面：
　　 1.針對(duì)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(gè)距離單元的問(wèn)題，提出了一種基于遺傳算法的類(lèi)零相關(guān)正交多相碼設(shè)計(jì)方法。該方法選擇零相關(guān)碼集為初始群體，然后針

3、對(duì)零相關(guān)碼的特性，對(duì)遺傳算法的交叉和變異操作進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。該方法能夠把相關(guān)信號(hào)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(gè)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(hào)有關(guān)。
　　 3.提出了一種分兩步進(jìn)行最小冗余(MR，Minimum Redundancy)MIMO雷達(dá)設(shè)計(jì)的方法：第一步在保證虛擬孔徑達(dá)到一定長(zhǎng)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(jì)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(wú)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(huì)使Capon譜估計(jì)方法失效。針對(duì)這一問(wèn)題，提出了一種對(duì)增廣協(xié)方差矩陣進(jìn)行自適應(yīng)對(duì)角加載的Capon估計(jì)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(lái)判定是否進(jìn)行對(duì)角加載以及加載量的大小，從而使Capon估計(jì)方法具有穩(wěn)健性。
　　 4.針對(duì)傳統(tǒng)雙基地雷達(dá)測(cè)高系統(tǒng)配置復(fù)雜的問(wèn)題，提出了一種通過(guò)雙基地MIMO雷達(dá)，利用虛擬陣元技術(shù)進(jìn)行目標(biāo)

6、高度測(cè)量的方法。該方法在接收端估計(jì)目標(biāo)相對(duì)于發(fā)射陣列和接收陣列的角度，然后利用獲得的角度進(jìn)行目標(biāo)高度測(cè)量。與傳統(tǒng)的雙基地雷達(dá)測(cè)高方法不同，該方法既不需要發(fā)射端和接收端之間的時(shí)間同步，也不需要收發(fā)兩端之間傳輸數(shù)據(jù)，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的配置。另外，在多目標(biāo)情況下，該方法估計(jì)的角度能夠自動(dòng)配對(duì)，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(lèi)ESPRIT的雙基地MIMO雷達(dá)空間色噪聲對(duì)消的方法。該方法利用了同一個(gè)噪聲信號(hào)通過(guò)不同正交

7、信號(hào)匹配濾波器后具有正交性的特點(diǎn)，消除了空域色噪聲對(duì)角度估計(jì)的影響，提高了角度估計(jì)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(hào)處理方法。提出采用窄帶雙頻發(fā)射，在接收端通過(guò)雙頻信號(hào)來(lái)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(shí)現(xiàn)相干處理。另外，該方法能夠消除目標(biāo)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻率對(duì)接收信號(hào)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