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相位编码MIMO雷达信号处理技术研究

陈金立  
【摘要】: 受MIMO (Multiple Input Multiple Output)技术在现代无线通信领域发展的启发及其所体现出的优越性,雷达工程师近年来提出了一种新体制雷达——MIMO雷达,并已成为当前国际上研究的热点。MIMO雷达可分为统计MIMO雷达和共址MIMO雷达两种类型:统计MIMO雷达发射/接收阵列的阵元间距较大,可利用收/发阵元的空间分集来抑制目标的RSC闪烁,以提高雷达的检测性能;共址MIMO雷达使用传统天线阵列发射和接收信号,即通过阵元间的紧密排列实现相干发射和相干接收,可利用虚拟阵列的形成来提高雷达的角度分辨力以及增加最大可辨识的目标数量。MIMO雷达的探测信号可以采用码分正交波形,频分正交波形,或者上述两类波形的复合。本文所研究的MIMO雷达使用了码交正交发射波形,文中对相位编码雷达/MIMO雷达的多普勒敏感问题,统计MIMO雷达的信号处理算法,共址MIMO雷达角度估计算法以及MIMO雷达在高速运动目标探测应用等方面进行了详细研究。 本文的主要工作和贡献可以归纳如下: 1.相位编码雷达/MIMO雷达的脉压性能分析 以m序列调相连续波雷达为例,研究了该雷达脉压主旁瓣比与目标多普勒频率之间的变化关系,并推导了其数学表达式。由于m序列调相连续波雷达在非目标距离门上的脉冲压缩是一种“宽带输入窄带输出的过程”,那么脉压旁瓣实部和虚部分别近似服从正态分布,由此可计算出脉压后峰值旁瓣实部和虚部的值,从而可获得脉压输出主旁瓣比的数学表达式。当m序列的周期长度P≥31时,由脉压主旁瓣比数学表达式计算数据与仿真数据能很好地吻合。然后在此基础上,研究了相位编码MIMO雷达的多普勒敏感问题,主要包括多普勒频率所导致的脉压失配以及相位编码信号正交性破坏这两方面。这部分的研究可为后续工作开展提供帮助。 2.发射分集统计MIMO雷达的非相参角度估计方法及其相参信号处理算法 发射分集统计MIMO雷达利用天线空间发射分集能较好地克服目标RCS的角闪烁所带来的性能损失,以提高其接收阵列的角度估计精度。首先基于仅考虑目标空域特性的回波信号模型,探讨了发射分集统计MIMO雷达的非相参角度估计方法,分别从阵列直接接收的回波和经脉压以及数据重排后的回波中估计目标角度,其中后者的角度估计性能优于前者。然后基于实际的慢起伏目标回波信号模型,研究了发射分集统计MIMO雷达的相参信号处理方法,将同一目标在不同观测角度的回波经距离延时、多普勒频移和相位补偿后再作相参合并,以提高其信噪比,从而使目标角度估计精度高于非相参角度估计方法。 3.接收分集统计MIMO雷达的多目标定位算法 针对“宽波束发射-宽波束接收”多基地雷达存在定位精度低和易产生虚假目标等缺点,讨论了一种空间接收分集的MIMO雷达,它是一种特殊结构的一发多收多基地雷达,其工作模式也为“宽波束发射-宽波束接收”,能避免复杂的波束同步扫描问题。对接收分集统计MIMO雷达提出了一种基于Capon谱估计的多目标定位方法,并与普通一发多收多基地雷达的定位精度进行了比较。结果表明:接收分集统计MIMO雷达能有效解决“宽波束发射-宽波束接收”多基地雷达的低定位精度和易产生虚假目标的问题。 4.双基地共址MIMO雷达的发射角和接收角联合估计算法 (1)在空间高斯白噪声环境下的角度估计算法:A)为避免运算量巨大的Capon二维谱峰搜索,提出了一种基于ESPRIT算法的二维方位角参数自动配对估计方法。该方法利用ESPRIT算法把信号二维方位角参数同时估计问题转化为两个一维方位角参数估计问题,然后提取两次参数估计之间的关联性,实现发射角和接收角自动配对估计,且其角度估计性能与需要参数配对过程的ESPRIT算法类似。B)双基地共址MIMO雷达在接收端合成了比其实际阵元更多的虚拟阵元,因此在ESPRIT方法实现过程中需要估计一个高维协方差矩阵及其特征分解,运算量极大。为此,利用传播算子方法实现发射角和接收角的快速联合估计,以避免协方差矩阵的估计及其特征值分解。 (2)在空间色噪声环境下的角度估计算法:利用相对不同发射子阵的匹配输出数据互协方差矩阵中附加噪声互协方差矩阵为零这一特性,研究了一种新的发射角和接收角联合估计算法。该算法利用匹配输出数据的互协方差矩阵,再结合ESPRIT算法估计目标发射角和接收角,所估计的参数自动配对。该算法适用于三个或更多发射阵元数的双基地共址MIMO雷达,能有效抑制空间色噪声的影响,且其空间色噪声的抑制能力随着发射阵元数的增加而增强。 5.基于单基地共址MIMO雷达的高速运动目标探测技术 针对传统体制雷达对高速运动目标不能进行长时间有效相参积累检测问题,提出了一种基于单基地共址MIMO雷达的高速运动目标探测方法。该方法利用MIMO雷达在短时间内输出的多路回波数据进行相参并行处理来取代回波数据的长时间相参积累检测,以避免距离走动,径向速度变化以及反射截面积(RCS)快起伏等非平稳因素对目标探测的影响。由于单基地共址MIMO雷达的角度估计具有分辨力高以及可测目标数量大等优点,因此它具有对大量密集高速运动目标进行探测的能力。


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