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MIMO雷达抗有源干扰阵列设计方法

王洁  
【摘要】:MIMO意为多输入多输出,这项技术首先应用在通信方面,因其良好的分集特性引起研究人员的关注。随后,雷达相关研究人员将MIMO技术应用在雷达方面,提出MIMO雷达的新概念。相比较于早期相控阵雷达,MIMO雷达具有较高的自由度、优良的目标识别能力和参数估计性能,因此,MIMO雷达成为雷达相关研究人员的重点研究方向。现阶段,MIMO雷达的体制类型主要包括分布式的MIMO雷达(distributed MIMO radar)和集中式的MIMO雷达(collocated MIMO radar)。分布式MIMO雷达的各个阵元间距较大,并且各个发射阵元发射互不相同码元、频率、或极化特性的波形,因此,MIMO雷达的收发阵元被同时干扰的概率相对较低。集中式MIMO雷达的发射端在空间中合成宽波束(或全向波束),接收端通过产生多个波束的处理方式,在一定程度上降低了目标信号被截获的概率。随着电子干扰技术的发展,现代电子侦察接收设备的高灵敏度表明,MIMO雷达仍然面临着被干扰的风险。本文主要讨论在集中式MIMO雷达有源干扰环境下,使得综合方向图的主瓣指向目标方向并且在有源干扰方位产生零陷,实现抑制有源干扰。由于MIMO雷达的综合波束方向图与阵列阵形有关,因此,本文主要通过MIMO雷达的阵列设计,提高MIMO雷达的抗有源干扰性能。主要研究内容如下:首先,由于MIMO雷达的本质也是基于阵列的原理,先介绍了阵列信号的基本原理,在此基础上介绍了MIMO雷达的基本概念和基本原理,重点分析了MIMO雷达的虚拟阵元形成原理,导出了MIMO雷达方向图公式。然后,建立了MIMO雷达在有源干扰环境下的信号模型,并分析了在有源干扰场景下MIMO雷达的波束成形算法。其次,提出基于新型稀疏阵列(嵌套阵列和互质阵列)的MIMO雷达阵列设计抗有源干扰方法。早期传统MIMO雷达采用均匀线阵作为收发阵列,抗干扰的个数主要受虚拟阵元个数(收发阵元个数的乘积)的限制,采用新型稀疏阵列作为MIMO雷达的接收阵列,并经过Khatri-Rao积预处理,可以大大扩展了MIMO雷达的虚拟阵列的孔径,提升了系统的自由度。因此,可以抑制有源干扰的数目多于收发阵元的数目乘积。通过仿真实验,可以证明,基于新型稀疏阵列的MIMO雷达可以抑制有源干扰个数多于收发阵元个数的乘积。同时,该新型稀疏阵列MIMO雷达在提高系统自由度的同时,也减少了物理阵元个数,减少系统复杂度和成本代价。最后,提出了基于阵元位置控制的MIMO雷达抗有源干扰方法。介绍了基于阵元相位控制和基于阵元位置控制的MIMO雷达抗有源干扰方法。这两种方法的主要思想是通过阵元相位的扰动(或阵元位置的扰动),将MIMO雷达综合方向图的主瓣指向目标方位,并且在有源干扰方位使得方向图产生零陷,实现有源干扰的抑制。最后,提出阵元相位控制和位置控制相结合的MIMO雷达抗有源干扰方法,该方法可以使MIMO雷达综合波束方向图在有源干扰方位形成更深的零陷,抑制有源干扰的效果更好。


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