MIMO雷達參數(shù)估計方法研究.pdf

1、多輸入多輸出(MIMO—Multiple-Input Multiple-Output)雷達是近年來國內外研究的一個熱點,其基本思想是在發(fā)射端各個發(fā)射單元同時發(fā)射不相關或正交的信號,在接收端通過匹配濾波分離出各個發(fā)射單元的信號后進行更靈活處理,以提高雷達性能。目前MIMO雷達主要分為兩大類:小尺度相干MIMO雷達,其收發(fā)陣列規(guī)模小(稱為小尺度),各個收(發(fā))陣元到目標視線近似平行,目標相對于收(發(fā))陣列具有相同的波達方向,與傳統(tǒng)的相控陣雷

2、達相比,這類雷達能提供更多的系統(tǒng)自由度,進而提高目標的可辨識度及參數(shù)估計性能；另一類是大尺度非相干MIMO雷達,其收發(fā)陣列規(guī)模足夠大(稱為大尺度),觀測到目標的RCS不同,從而獲得接收和發(fā)射兩方面的空間分集增益,且在信噪比較高時,可使閃爍目標的檢測性能有較大的提高。本論文主要研究了相干處理MIMO雷達參數(shù)估計方面的問題,主要工作總結如下:
　　 1.圍繞MIMO雷達利用發(fā)射孔徑自由度提高雷達參數(shù)估計精度的思想,研究了MIMO雷達

3、的工作機理。針對單基MIMO雷達陣列流形存在冗余以及同時利用收發(fā)孔徑自由度導致計算復雜度增大的問題,提出了去冗余ESPRIT類降維處理方法和基于二維快速傅里葉變換(2D—FFT,Fast Fourier Transform)的降維波達方向-多普勒聯(lián)合估計方法。去冗余ESPRIT類降維處理方法避免了角度搜索和相位解纏繞,在一定程度上提高了波達方向和多普勒頻率的估計精度。基于2D-FFT的的數(shù)據(jù)分塊方法對每個接收陣元的接收數(shù)據(jù)分塊作2D-F

4、FT,將各個分塊的頻域數(shù)據(jù)相干積累,找到峰值點,然后在各個分塊找到峰值點對應的數(shù)據(jù)構成頻域快拍,利用該降維后的頻域數(shù)據(jù)實現(xiàn)目標波達方向和多普勒頻率的聯(lián)合估計。該方法具有較高的分辨率,且不需要對陣元級接收數(shù)據(jù)進行協(xié)方差矩陣的估計及其特征分解,運算復雜度低,尤其當陣元數(shù)和快拍數(shù)都較多時,優(yōu)越性更加顯著。
　　 2.針對雙基MIMO雷達,提出了在接收端同時實現(xiàn)發(fā)射角度(DOD,Directionof Departure)和接收角度(D

5、OA,Direction of Arrival)聯(lián)合估計的幾種方法,包括利用發(fā)射陣或接收陣單元形成旋轉因子實現(xiàn)了DOD和DOA自動配對的無需陣列平移的ESPRIT類聯(lián)合估計方法、多天線發(fā)射兩天線接收的聯(lián)合MUSIC-ESPRIT方法和DOD-DOA聯(lián)合估計分維處理方法,實現(xiàn)了低復雜度的多維參數(shù)估計。其中基于2階矩和基于4階累積量的MUSIC-ESPRIT方法能有效地實現(xiàn)白噪聲和色噪聲背景下的多目標角度估計。在接收端,通過單天線的MUSI

6、C和雙天線的ESPRIT算法分別估計目標的DOD和DOA,將兩維參數(shù)估計轉化為兩個一維形式,降低了運算量和計算復雜度。
　　 3.研究了長期困擾理論上高性能陣列技術應用的陣列誤差校正與陣列處理穩(wěn)健性問題。針對與信號波達方向無關的幅相誤差問題,提出了雙基地MIMO雷達多目標角度和幅相誤差聯(lián)合估計方法。該方法利用聯(lián)合對角化估計含誤差的接收和發(fā)射陣列流形,并通過最小化相位誤差的平方和,分別得到DOD和DOA的估計,再利用估計得到的角度

7、,通過幅相誤差自校正算法得到幅相誤差估計的閉式解。該方法不需要幅相誤差的先驗知識,對誤差具有一定的穩(wěn)健性。針對存在互耦的情況,提出了雙基地MIMO雷達互耦自校正方法。該方法利用等距線陣下互耦矩陣的Toeplitz特性和聯(lián)合收發(fā)導向矢量Kronecker直積的性質,將兩維角度搜索轉化為兩個一維搜索,從而降低了運算量,再根據(jù)估計得到的角度可得等效的收發(fā)互耦系數(shù),并通過奇異值分解估計發(fā)射陣列和接收陣列的互耦系數(shù)。
　　 4.針對機載M

8、IMO雷達目標參數(shù)估計性能受到譜展寬的地物雜波嚴重影響的問題,研究了基于最大似然的目標波達方向和多普勒頻率聯(lián)合估計方法。該方法直接利用接收數(shù)據(jù)的最大似然函數(shù)估計目標參數(shù),但涉及兩維搜索,運算量大。為了降低最大似然的計算復雜度,提出了基于二維離散傅里葉變換(2D-DFT,Discrete Fourier Transform)的波達方向.多普勒頻率聯(lián)合估計方法和基于空時自適應單脈沖近似實現(xiàn)的波達方向.多普勒頻率估計方法,顯著降低了運算量。<