基于信號結(jié)構(gòu)信息的MIMO雷達(dá)角度估計(jì)算法研究.pdf

1、多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)雷達(dá)的概念自2004年提出，便成為雷達(dá)界的一個研究熱點(diǎn)。由于MIMO雷達(dá)在發(fā)射端多個發(fā)射天線同時(shí)發(fā)射相互正交的信號，在接收端通過利用發(fā)射波形的正交性進(jìn)行匹配處理，從而分離出各個發(fā)射天線的信號后進(jìn)行相關(guān)處理，具有比傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)更多的優(yōu)點(diǎn)，如低截獲率、高空域分辨率和多自由度等。在MIMO雷達(dá)中，角度估計(jì)是MIMO雷達(dá)信號處理的核心內(nèi)容之一。隨著信號環(huán)境

2、的日益復(fù)雜，如低截獲率技術(shù)的采用、各類有意或無意的電磁干擾、隱身目標(biāo)以及信號的時(shí)變特性等，這些都會導(dǎo)致 MIMO雷達(dá)接收數(shù)據(jù)的信噪比降低和樣本數(shù)量的減少，因此研究小樣本、低信噪比條件下的MIMO雷達(dá)角度估計(jì)算法具有非常重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。
　　本文首先建立MIMO雷達(dá)的信號模型，分析MIMO雷達(dá)接收信號的二階統(tǒng)計(jì)特性?；?MIMO雷達(dá)信號的二階統(tǒng)計(jì)特性，研究了基于空間譜搜索的角度估計(jì)算法和基于旋轉(zhuǎn)不變子空間的角度估計(jì)算法的

3、基本原理。由于這些子空間算法的角度估計(jì)性能依賴于接收信號的二階統(tǒng)計(jì)特性，因此在低快拍條件下角度估計(jì)性能嚴(yán)重下降甚至失效。針對該問題，提出一種擴(kuò)展陣列孔徑的二維聯(lián)合空間平滑算法，該算法能夠有效擴(kuò)大二維聯(lián)合空間平滑后的虛擬陣列孔徑，在低快拍條件獲得良好的角度估計(jì)性能。其次，利用信號的非圓結(jié)構(gòu)信息提高目標(biāo)角度估計(jì)性能的方法。建立雙基地MIMO雷達(dá)非圓信號模型，研究利用信號非圓結(jié)構(gòu)信息的共軛旋轉(zhuǎn)不變子空間角度估計(jì)算法的基本原理。由于該算法采用信

4、號的非圓結(jié)構(gòu)信息使得 MIMO雷達(dá)虛擬陣列進(jìn)一步擴(kuò)大，導(dǎo)致運(yùn)算復(fù)雜度高。針對該問題，提出一種實(shí)值共軛旋轉(zhuǎn)不變子空間的角度估計(jì)算法，通過利用擴(kuò)展后虛擬陣列的中心對稱特性對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)值化處理，推導(dǎo)實(shí)值子空間的共軛旋轉(zhuǎn)不變特性實(shí)現(xiàn)DOD和DOA聯(lián)合估計(jì)。另一方面，與雙基地MIMO雷達(dá)不同，單基地 MIMO雷達(dá)采用發(fā)射陣列和接收陣列收發(fā)共置方式，具有很多冗余虛擬陣元。通過建立單基地 MIMO雷達(dá)非圓信號模型，提出降維的共軛旋轉(zhuǎn)不變子空間算法

5、。該算法有效地消除冗余陣元和利用信號的非圓結(jié)構(gòu)信息，明顯地改善了目標(biāo)角度估計(jì)性能。然后，利用信號的張量結(jié)構(gòu)信息提高目標(biāo)角度估計(jì)性能的方法。建立 MIMO雷達(dá)的張量信號模型，研究基于高階奇異值分解的MIMO雷達(dá)角度估計(jì)算法，該算法有效地利用 MIMO雷達(dá)的張量結(jié)構(gòu)信息，在小樣本、低信噪比條件下獲得比傳統(tǒng)子空間算法更加優(yōu)越的角度估計(jì)性能。針對高階奇異值分解涉及多個奇異值分解導(dǎo)致運(yùn)算復(fù)雜度高問題，提出一種實(shí)值高階奇異值分解的MIMO雷達(dá)角度估

6、計(jì)算法，該算法通過將復(fù)數(shù)域奇異值分解問題轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)域奇異值分解問題，從而有效地降低運(yùn)算復(fù)雜度。另一方面，針對空域色噪聲環(huán)境下的角度估計(jì)性能下降甚至失效問題，提出一種高階互協(xié)方差張量分解的角度估計(jì)算法，該算法有效地抑制空域色噪聲的影響，獲得良好的角度估計(jì)性能。最后，利用信號的稀疏結(jié)構(gòu)信息提高目標(biāo)角度估計(jì)性能的方法。建立雙基地MIMO雷達(dá)的空域稀疏表示模型，提出一種基于稀疏表示的雙基地 MIMO雷達(dá)角度估計(jì)算法，該算法利用雙基地 MIMO雷

7、達(dá)接收信號的結(jié)構(gòu)特性將目標(biāo)角度估計(jì)的二維稀疏恢復(fù)問題轉(zhuǎn)化成兩個一維的稀疏恢復(fù)問題，降低了字典中基函數(shù)間的相關(guān)性，獲得良好的角度估計(jì)性能。針對單基地MIMO雷達(dá)角度估計(jì)問題，研究了單基地MIMO雷達(dá)的稀疏表示模型，提出了基于加權(quán)稀疏表示的單基地 MIMO雷達(dá)角度估計(jì)算法，該算法通過利用單基地 MIMO雷達(dá)特有的虛擬陣列結(jié)構(gòu)降低完備字典的維數(shù)，同時(shí)利用降維Capon空間譜設(shè)計(jì)權(quán)值矩陣，從而加強(qiáng)l1范數(shù)的稀疏解，改善目標(biāo)的角度估計(jì)性能。由于稀