MIMO雷達(dá)模型與信號處理研究.pdf

1、多輸入多輸出(MIMO，Multiple—Input Multiple—Output)雷達(dá)使用多天線發(fā)射多重探測信號照射目標(biāo)，并利用多天線接收目標(biāo)反射的后向散射回波信號。與傳統(tǒng)的相控陣?yán)走_(dá)相比，MIMO雷達(dá)可以顯著改善參數(shù)可辨識性，實(shí)現(xiàn)更為靈活的發(fā)射方向圖設(shè)計(jì)，改進(jìn)目標(biāo)檢測和參數(shù)估計(jì)性能，并可通過采用更靈活的發(fā)射波形設(shè)計(jì)以提高檢測和估計(jì)性能。本文研究了MIMO雷達(dá)的模型、信號檢測、參數(shù)估計(jì)以及優(yōu)化波形設(shè)計(jì)等方面問題。 本文的主要

2、工作包括以下幾方面。 1．本文系統(tǒng)地研究和總結(jié)了現(xiàn)有的MIMO雷達(dá)信號模型，包括波形分集的共址MIMO雷達(dá)、發(fā)射和接收空間全分集的統(tǒng)計(jì)MIMO雷達(dá)和僅發(fā)射分集的統(tǒng)計(jì)MIMO雷達(dá)，以及基于共址MIMO雷達(dá)的MIMO—STAP雷達(dá)模型。在此基礎(chǔ)上，本文在僅發(fā)射分集統(tǒng)計(jì)MIMO雷達(dá)的接收陣列引入了目標(biāo)的角度擴(kuò)展，提出了使用非相干子陣的共址MIMO雷達(dá)的等效模型，將MIMO—STAP模型拓展到多目標(biāo)情況。 2．在共址MIMO雷達(dá)

3、模型中，目標(biāo)被建模為點(diǎn)目標(biāo)，因此發(fā)射和接收的信號都是完全相干的；而在統(tǒng)計(jì)MIMO雷達(dá)模型中，目標(biāo)被建模為具有豐富散射的擴(kuò)展目標(biāo)，因此發(fā)射和接收的信號分別是完全不相關(guān)的。本文在MIMO雷達(dá)模型中考慮了空間部分相干性，即陣列發(fā)射信號通過有限的路徑照射到目標(biāo)的多個(gè)散射點(diǎn)，而目標(biāo)散射點(diǎn)的后向回波信號也通過有限的路徑被陣列接收，因此目標(biāo)相對于發(fā)射和接收陣列表現(xiàn)為有限的角度擴(kuò)展。本文提出了MIMO雷達(dá)的參數(shù)物理模型來描述這種空間部分相干性。

4、 3．現(xiàn)有的共址MIMO雷達(dá)模型、發(fā)射和接收全分集的和僅發(fā)射分集的統(tǒng)計(jì)MIMO雷達(dá)模型都是建立在實(shí)際物理散射過程的描述上。利用這些模型不便于獲得目標(biāo)散射特性的整體性質(zhì)，因此在處理諸如優(yōu)化波形設(shè)計(jì)等需要利用目標(biāo)散射特性的問題時(shí)，需要特定的復(fù)雜技術(shù)。在MIMO雷達(dá)的參數(shù)物理模型的基礎(chǔ)上，并借鑒MIMO無線通信理論和陣列信號處理中的波束域理論，本文提出了MIMO雷達(dá)的虛擬表示模型。這種表示方法是通過將各方向的探測信號以及目標(biāo)在各方向的物理散射

5、分別投影到固定的傅里葉方向，并利用虛擬的等效信道矩陣來描述目標(biāo)的整體散射特性。 4．在MIMO雷達(dá)的虛擬表示模型基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步提出了MIMO雷達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)模型。該模型將各方向的探測信號以及目標(biāo)在各方向的物理散射分別投影到發(fā)射和接收特征方向，并利用散射矩陣來描述目標(biāo)的整體散射特性。該模型提供了共址MIMO雷達(dá)模型、統(tǒng)計(jì)MIMO雷達(dá)模型，以及具有空間部分相干的MIMO雷達(dá)模型的統(tǒng)一描述，并有助于獲得廣泛適用的優(yōu)化波形設(shè)計(jì)方案。

6、 5．對于具有空間部分相干性的發(fā)射分集統(tǒng)計(jì)MIMO雷達(dá)，利用空間相干矩陣的Toeplitz結(jié)構(gòu)、Toeplitz矩陣與輪換矩陣的漸近等價(jià)性，以及離散傅里葉變換矩陣對輪換矩陣的對角化性質(zhì)，本文提出了一種具有較低計(jì)算量的漸近優(yōu)化檢測算法。 6．對共址MIMO雷達(dá)，本文研究了Capon、APES、GLRT和發(fā)射分集平滑等目標(biāo)角度估計(jì)算法。對于使用非相干子陣的共址MIMO雷達(dá)，本文提出了一種結(jié)合發(fā)射分集平滑技術(shù)和廣義MUSIC算法的參

7、數(shù)估計(jì)算法。該算法不僅具有高分辨的角度估計(jì)性能，而且可根據(jù)需要選擇使用某些特定的非相干子陣，從而實(shí)現(xiàn)靈活的發(fā)射和接收分集。 7．對于僅發(fā)射分集統(tǒng)計(jì)MIMO雷達(dá)，基于準(zhǔn)靜態(tài)衰落的假設(shè)下，本文提出了目標(biāo)角度和衰落向量參數(shù)估計(jì)的兩種漸近最大似然估計(jì)算法、CAPES算法、以及衰落向量參數(shù)估計(jì)的穩(wěn)健的APES算法；基于目標(biāo)隨機(jī)快速衰落的假設(shè)，本文提出了子空間算法和協(xié)方差匹配技術(shù)兩種方法；本文也將盲信號處理技術(shù)應(yīng)用于MIMO雷達(dá)的參數(shù)估計(jì)問

8、題中。仿真實(shí)驗(yàn)表明，發(fā)射分集可有效改善目標(biāo)的角度估計(jì)性能。 8．基于MIMO雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)模型，本文應(yīng)用極大化條件互信息量和極小化最小均方誤差兩種準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)了MIMO雷達(dá)的優(yōu)化估計(jì)波形的設(shè)計(jì)(designs of optimalestimation waveforms)。該設(shè)計(jì)結(jié)果不僅適用于統(tǒng)計(jì)MIMO雷達(dá)模型，還適于具有部分空間相干性的共址MIMO雷達(dá)。本文也提出將。Kronecker結(jié)構(gòu)的矩陣估計(jì)技術(shù)用于解決MIMO雷達(dá)的優(yōu)化估計(jì)波