噪聲MIMO雷達角度估計算法研究.pdf

1、借鑒多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)在無線通信領(lǐng)域的發(fā)展及取得的巨大成就，雷達工程師將其應(yīng)用于雷達領(lǐng)域，提出了一種新體制雷達——MIMO雷達。根據(jù)陣列配置，MIMO雷達主要分為分布式MIMO雷達和集中式MIMO雷達兩類。分布式MIMO雷達的發(fā)射/接收陣元間距較大，滿足空間分集條件，可從不同角度觀測目標(biāo)，從而抑制目標(biāo)雷達截面積(RCS)閃爍，提高探測性能;集中式MIMO雷達的發(fā)射/接收陣列與傳統(tǒng)陣列相同，陣元間距較小，但通過發(fā)射正交波形實現(xiàn)波

2、形分集，可在接收端形成大的虛擬陣列，具有增加最大可辨識的目標(biāo)個數(shù)以及提高角度分辨力等優(yōu)點。本文主要研究了噪聲MIMO雷達的目標(biāo)發(fā)射角(DOD)和接收角(DOA)估計問題。另外，分析了噪聲信號的脈壓輸出特性，給出了一種快速的隨機多相碼信號設(shè)計方法和一種簡單、易實現(xiàn)的MIMO雷達發(fā)射波束形成算法。同時研究了基于噪聲相控陣MIMO雷達的高速目標(biāo)距離-角度估計問題。本文的主要工作和貢獻歸納如下:
　　 1.噪聲MIMO雷達相關(guān)理論

3、>　　 1)通過對脈壓輸出旁瓣的概率分布和二階統(tǒng)計量分析，推導(dǎo)了噪聲信號脈壓輸出主旁瓣比的數(shù)學(xué)表達式，定量分析了脈壓輸出主旁瓣比與脈壓長度和多普勒頻率等參數(shù)的關(guān)系。
　　 2)以最小化加權(quán)積分旁瓣電平為準則，給出一種重加權(quán)循環(huán)算法設(shè)計隨機多相碼信號。設(shè)計得到的隨機多相碼信號具有較低的自相關(guān)和互相關(guān)旁瓣電平，可作為MIMO雷達發(fā)射信號。
　　 3)給出子波束合成算法用于MIMO雷達發(fā)射波束形成。該算法通過對多個發(fā)射信號分

4、別加權(quán)形成子波束，進而在空間疊加形成在感興趣的空域具有恒定增益，且在其它空域能量最小的發(fā)射波束，從而提高接收端信噪比。該算法無需任何優(yōu)化工具，具有實現(xiàn)簡單，運算量小的優(yōu)點。
　　 4)建立了雙基地MIMO雷達的信號模型，討論了虛擬陣列的形成原理，給出了雙基地MIMO雷達角度估計的克拉美-羅界（CRB）。
　　 2.基于聯(lián)合矩陣分解技術(shù)的MIMO雷達DOD-DOA估計
　　 1)研究了基于聯(lián)合矩陣對角化(JMD)的

5、DOD-DOA估計算法。該算法首先利用奇異值分解和秩1矩陣判斷定理將DOD-DOA估計問題轉(zhuǎn)化為聯(lián)合矩陣對角化問題;然后采用單次-掃描迭代算法對其求解，估計收發(fā)陣列流形矩陣;最后通過譜估計算法恢復(fù)目標(biāo)收發(fā)角。該算法充分利用了匹配濾波輸出的所有信息，無需二維譜峰搜索，每次迭代均可得到精確的閉式解，角度估計精度與二維多重信號分類(MUSIC)算法基本一致，優(yōu)于基于旋轉(zhuǎn)不變子空間技術(shù)(ESPRIT)的算法和傳播算子(PM)算法，且得到的收發(fā)角

6、自動配對。
　　 2)研究了基于聯(lián)合矩陣上三角化(JMUT)的DOD-DOA估計算法。該算法首先利用矩陣QR分解將DOD-DOA估計問題轉(zhuǎn)化為聯(lián)合矩陣上三角化問題;然后采用擴展QZ迭代算法對其求解，得到收發(fā)陣列流形矩陣;最后通過譜分析算法恢復(fù)收發(fā)角。該算法避免了復(fù)雜的二維譜峰搜索，每次迭代均可得到精確的閉式解，收發(fā)角自動配對，其角度估計精度與基于聯(lián)合矩陣對角化的算法基本一致，運算量略小于后者。
　　 3.基于張量高階奇異

7、值分解(HOSVD)的MIMO雷達DOD-DOA估計
　　 利用雙基地MIMO雷達匹配濾波輸出數(shù)據(jù)的多維結(jié)構(gòu)特性，采用一個3階測量張量表示匹配濾波輸出數(shù)據(jù)，并構(gòu)造了協(xié)方差張量和互協(xié)方差張量。通過對這三個張量的HOSVD估計噪聲/信號子空間，并將其與二維MUSIC算法和ESPRIT算法結(jié)合估計DOD-DOA。同時，對估計得到的信號子空間的一階擾動進行了分析，推導(dǎo)了其解析表示。理論分析和仿真實驗表明，當(dāng)目標(biāo)個數(shù)小于發(fā)射陣元數(shù)或接收陣

8、元數(shù)時，本文算法估計得到的信號子空間的精度高于傳統(tǒng)矩陣奇異值分解(SVD)算法的結(jié)果，從而具有更優(yōu)的角度估計性能。另外，將酉ESPRIT(UESPRIT)算法擴展到張量情況，給出HOSVDUESPRIT算法用于DOD-DOA估計，對散射系數(shù)具有一定相關(guān)性的目標(biāo)，進一步提高了角度估計精度。
　　 4.基于張量因子分解技術(shù)的MIMO雷達4維角度和多普勒頻率估計
　　 提出了基于張量因子分解的雙基地均勻矩形陣MIMO雷達4維角

9、度和多普勒頻率估計算法，其中4維角度包括垂直波離角(EDOD)、水平波離角(ADOD)、垂直波達角(EDOA)和水平波達角(ADOA)。首先建立了均勻矩形陣MIMO雷達的信號模型;然后利用張量的矩陣表示，將匹配濾波輸出轉(zhuǎn)化為一個5階張量，進而將參數(shù)矩陣估計問題轉(zhuǎn)化為對該張量的因子分解問題;接著采用交替最小二乘(ALS)算法估計4維角度矩陣和多普勒頻率矩陣;最后根據(jù)這五個參數(shù)矩陣的范德蒙德結(jié)構(gòu)特性，利用譜估計算法估計4維角度和多普勒頻率。

10、另外，對于陣元數(shù)和處理脈沖數(shù)較大的情況，采用HOSVD進行降維處理，減小運算量，并采用線性搜索加快算法的收斂速度。該算法無需估計信號/噪聲子空間、無需譜峰搜索、得到的4維角度和多普勒頻率自動配對，且具有較高的角度估計精度。
　　 5.噪聲相控陣MIMO雷達高速目標(biāo)距離-角度估計
　　 針對在高速目標(biāo)探測方面，傳統(tǒng)單輸入單輸出雷達不能進行長時間有效相參積累檢測的問題，研究了一種基于噪聲相控陣MIMO雷達的高速目標(biāo)探測方法。