MIMO雷达模型与信号处理研究

【摘要】： 多输入多输出(MIMO，Multiple-Input Multiple-Output)雷达使用多天线发射多重探测信号照射目标，并利用多天线接收目标反射的后向散射回波信号。与传统的相控阵雷达相比，MIMO雷达可以显著改善参数可辨识性，实现更为灵活的发射方向图设计，改进目标检测和参数估计性能，并可通过采用更灵活的发射波形设计以提高检测和估计性能。本文研究了MIMO雷达的模型、信号检测、参数估计以及优化波形设计等方面问题。 本文的主要工作包括以下几方面。 1．本文系统地研究和总结了现有的MIMO雷达信号模型，包括波形分集的共址MIMO雷达、发射和接收空间全分集的统计MIMO雷达和仅发射分集的统计MIMO雷达，以及基于共址MIMO雷达的MIMO-STAP雷达模型。在此基础上，本文在仅发射分集统计MIMO雷达的接收阵列引入了目标的角度扩展，提出了使用非相干子阵的共址MIMO雷达的等效模型，将MIMO-STAP模型拓展到多目标情况。 2．在共址MIMO雷达模型中，目标被建模为点目标，因此发射和接收的信号都是完全相干的；而在统计MIMO雷达模型中，目标被建模为具有丰富散射的扩展目标，因此发射和接收的信号分别是完全不相关的。本文在MIMO雷达模型中考虑了空间部分相干性，即阵列发射信号通过有限的路径照射到目标的多个散射点，而目标散射点的后向回波信号也通过有限的路径被阵列接收，因此目标相对于发射和接收阵列表现为有限的角度扩展。本文提出了MIMO雷达的参数物理模型来描述这种空间部分相干性。 3．现有的共址MIMO雷达模型、发射和接收全分集的和仅发射分集的统计MIMO雷达模型都是建立在实际物理散射过程的描述上。利用这些模型不便于获得目标散射特性的整体性质，因此在处理诸如优化波形设计等需要利用目标散射特性的问题时，需要特定的复杂技术。在MIMO雷达的参数物理模型的基础上，并借鉴MIMO无线通信理论和阵列信号处理中的波束域理论，本文提出了MIMO雷达的虚拟表示模型。这种表示方法是通过将各方向的探测信号以及目标在各方向的物理散射分别投影到固定的傅里叶方向，并利用虚拟的等效信道矩阵来描述目标的整体散射特性。 4．在MIMO雷达的虚拟表示模型基础上，本文进一步提出了MIMO雷达的标准模型。该模型将各方向的探测信号以及目标在各方向的物理散射分别投影到发射和接收特征方向，并利用散射矩阵来描述目标的整体散射特性。该模型提供了共址MIMO雷达模型、统计MIMO雷达模型，以及具有空间部分相干的MIMO雷达模型的统一描述，并有助于获得广泛适用的优化波形设计方案。 5．对于具有空间部分相干性的发射分集统计MIMO雷达，利用空间相干矩阵的Toeplitz结构、Toeplitz矩阵与轮换矩阵的渐近等价性，以及离散傅里叶变换矩阵对轮换矩阵的对角化性质，本文提出了一种具有较低计算量的渐近优化检测算法。 6．对共址MIMO雷达，本文研究了Capon、APES、GLRT和发射分集平滑等目标角度估计算法。对于使用非相干子阵的共址MIMO雷达，本文提出了一种结合发射分集平滑技术和广义MUSIC算法的参数估计算法。该算法不仅具有高分辨的角度估计性能，而且可根据需要选择使用某些特定的非相干子阵，从而实现灵活的发射和接收分集。 7．对于仅发射分集统计MIMO雷达，基于准静态衰落的假设下，本文提出了目标角度和衰落向量参数估计的两种渐近最大似然估计算法、CAPES算法、以及衰落向量参数估计的稳健的APES算法；基于目标随机快速衰落的假设，本文提出了子空间算法和协方差匹配技术两种方法；本文也将盲信号处理技术应用于MIMO雷达的参数估计问题中。仿真实验表明，发射分集可有效改善目标的角度估计性能。 8．基于MIMO雷达标准模型，本文应用极大化条件互信息量和极小化最小均方误差两种准则实现了MIMO雷达的优化估计波形的设计(designs of optimalestimation waveforms)。该设计结果不仅适用于统计MIMO雷达模型，还适于具有部分空间相干性的共址MIMO雷达。本文也提出将Kronecker结构的矩阵估计技术用于解决MIMO雷达的优化估计波形设计问题。