MIMO雷達(dá)穩(wěn)健參數(shù)估計(jì)與波束形成方法研究.pdf

1、多輸入多輸出(MIMO)雷達(dá)作為一種新體制雷達(dá)，可以利用發(fā)射信號(hào)的多樣性來(lái)提高雷達(dá)系統(tǒng)性能。就陣列天線的布陣方式而言，MIMO雷達(dá)著重研究分布式和集中式兩大類。前者天線之間間距較大;而后者天線之間間距較小，包括單基地MIMO雷達(dá)和雙基地MIMO雷達(dá)。集中式MIMO雷達(dá)與傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)體制相似，但能利用波形分集提供更多的系統(tǒng)自由度，以提高參數(shù)估計(jì)性能。本文主要以集中式MIMO雷達(dá)為研究對(duì)象，結(jié)合工程應(yīng)用的需求，研究了復(fù)雜環(huán)境下的陣列校正技

2、術(shù)、穩(wěn)健參數(shù)估計(jì)方法以及快速發(fā)射方向圖設(shè)計(jì)方法，并同時(shí)研究了高速平臺(tái)雷達(dá)的穩(wěn)健波束形成方法。具體研究?jī)?nèi)容如下:
　　1.針對(duì)單基地MIMO雷達(dá)的陣元位置、幅度及相位誤差校正問題，提出了一種基于分時(shí)信源的校正技術(shù)。通過在發(fā)射端發(fā)射正交信號(hào)、接收端進(jìn)行匹配濾波，分離各發(fā)射信號(hào)分量，然后抽取對(duì)應(yīng)收發(fā)陣列參數(shù)的子矩陣來(lái)估計(jì)陣列誤差，避免了收發(fā)陣列誤差耦合求解的難題。該方法對(duì)收發(fā)陣列的陣列誤差進(jìn)行離線估計(jì)和補(bǔ)償，計(jì)算量小，易于工程實(shí)現(xiàn)。

3、r>　　2.針對(duì)單基地MIMO雷達(dá)收發(fā)陣列同時(shí)存在陣元互耦效應(yīng)和幅相誤差時(shí)測(cè)向性能下降的問題，提出了一種基于Capon波束形成的測(cè)向算法。該方法利用均勻線陣互耦矩陣的Toeplitz特性降低了參數(shù)空間維數(shù)，并結(jié)合Kronecker積特性將發(fā)射和接收陣列的陣列誤差去耦合，從而對(duì)收發(fā)陣列誤差進(jìn)行迭代補(bǔ)償，最終獲得目標(biāo)方位角的估計(jì)。
　　3.通常情況下系統(tǒng)會(huì)同時(shí)存在多種形式的陣列誤差，可采用方位依賴的幅相誤差對(duì)其綜合作用進(jìn)行描述。針對(duì)收

4、發(fā)陣列同時(shí)存在方位依賴的幅相誤差的雙基地MIMO雷達(dá)，提出了一種基于降維MUSIC的目標(biāo)角度估計(jì)算法。該方法引入了少量精確校正的輔助陣元，首先根據(jù)信號(hào)子空間與噪聲子空間的正交性，將方位依賴的陣列誤差和目標(biāo)角度進(jìn)行解耦合;其次利用Kronecker積特性，將原始的兩維搜索問題轉(zhuǎn)化為兩個(gè)一維搜索問題，減少了計(jì)算量。仿真實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)收發(fā)陣列同時(shí)存在陣元位置誤差、幅相誤差和陣元互耦時(shí)，所提方法可以有效估計(jì)目標(biāo)方位。
　　4.當(dāng)點(diǎn)目標(biāo)模型已

5、不能準(zhǔn)確描述回波信號(hào)時(shí)，即不能忽略信源的空間分布特性。為解決幅相誤差下雙基地MIMO雷達(dá)的相干分布式目標(biāo)參數(shù)估計(jì)問題，提出了一種穩(wěn)健的角度估計(jì)算法。首先建立了雙基地MIMO雷達(dá)相干分布式目標(biāo)的信號(hào)模型;其次利用了相干分布式目標(biāo)廣義導(dǎo)向矢量的二次旋轉(zhuǎn)不變性，得以忽略幅相誤差對(duì)參數(shù)估計(jì)的影響，最終獲得目標(biāo)中心方位角的估計(jì)。結(jié)果表明，所提算法能夠在系統(tǒng)存有幅相誤差的情況下獲得目標(biāo)中心方位角的良好估計(jì)，并對(duì)角信號(hào)分布函數(shù)形式不敏感，具有較好的穩(wěn)

6、健性。
　　5.現(xiàn)有集中式MIMO雷達(dá)發(fā)射方向圖設(shè)計(jì)是通過優(yōu)化發(fā)射信號(hào)相關(guān)矩陣來(lái)逼近期望方向圖，可采用凸優(yōu)化方法求解，但計(jì)算量較大，不利于工程實(shí)現(xiàn)。針對(duì)此問題，提出了一種循環(huán)迭代的發(fā)射方向圖設(shè)計(jì)方法。該方法以加權(quán)最小二乘為準(zhǔn)則，通過引入輔助變量，將對(duì)發(fā)射信號(hào)相關(guān)矩陣的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為關(guān)于其Hermitian平方根的二次優(yōu)化問題，再以循環(huán)迭代的方式進(jìn)行求解。對(duì)于均勻線陣，當(dāng)采用均勻加權(quán)且離散化方位角在歸一化空間頻率域均勻采樣時(shí)，可采用

7、FFT進(jìn)一步提高計(jì)算效率。
　　6.高速平臺(tái)可以加裝相控陣體制雷達(dá)，當(dāng)雷達(dá)載體進(jìn)行高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，干擾相對(duì)陣列的入射方向可能會(huì)快速變化。當(dāng)干擾方向快速變化以及存有波束指向誤差時(shí)，自適應(yīng)波束形成的輸出信干噪比會(huì)急劇下降。針對(duì)上述問題，提出了一種基于干擾位置預(yù)測(cè)的穩(wěn)健波束形成方法。首先，在定義歸一化空間頻率的基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)干擾在權(quán)值應(yīng)用時(shí)期的位置，給出零陷范圍;然后對(duì)零陷范圍進(jìn)行低增益約束以實(shí)現(xiàn)干擾抑制，同時(shí)約束主瓣區(qū)域響應(yīng)不衰減以提高波束形