MIMO雷達(dá)發(fā)射方向圖與波形設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、多輸入多輸出(MIMO)雷達(dá)具有多個(gè)發(fā)射和接收天線，各發(fā)射天線可以發(fā)射不同信號，這使得MIMO雷達(dá)具有波形分集的優(yōu)勢。根據(jù)天線的間距，通常將MIMO雷達(dá)分為分布式MIMO雷達(dá)和集中式MIMO雷達(dá)。在復(fù)雜多變的工作環(huán)境下，傳統(tǒng)雷達(dá)所采用的往復(fù)掃描的單個(gè)窄波束和相對固定的發(fā)射波形，很難取得滿意的性能，也無法滿足多任務(wù)、多功能的需求。而MIMO雷達(dá)的波形分集優(yōu)勢，使得雷達(dá)系統(tǒng)具有更高的發(fā)射自由度，可以針對工作場景和需求，靈活的設(shè)計(jì)發(fā)射方向圖；

2、可以根據(jù)環(huán)境信息及時(shí)調(diào)整發(fā)射波形。因此，MIMO雷達(dá)方向圖和波形設(shè)計(jì)成為一個(gè)很有意義的研究領(lǐng)域。本文從發(fā)射方向圖逼近、合成信號距離旁瓣抑制、多功能波形、雜波抑制和抗干擾等方面對MIMO雷達(dá)波形設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。論文的主要工作概括如下：
　　1.從正交波形和具有特定方向圖的波形等兩方面對MIMO雷達(dá)方向圖設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。首先介紹了一種基于梯度下降的正交波形循環(huán)設(shè)計(jì)方法，該方法基于最小化加權(quán)積分旁瓣(Weighted Integrated

3、 Sidelobe Level,WISL)準(zhǔn)則，根據(jù)各波形的梯度信息，依次對每個(gè)波形進(jìn)行優(yōu)化。仿真實(shí)驗(yàn)表明該算法與基于最小化峰值旁瓣準(zhǔn)則的序列二次規(guī)劃法性能相當(dāng)，且可以應(yīng)用于大規(guī)模陣列。針對多波束的方向圖設(shè)計(jì)，利用基于修正的最小化旁瓣模型，設(shè)計(jì)具有較低旁瓣的多波束方向圖；通過調(diào)整發(fā)射樣本順序和優(yōu)化初相，有效地抑制了波束方向信號的自相關(guān)旁瓣和互相關(guān)。最后提出一種基于空時(shí)聯(lián)合優(yōu)化的MIMO雷達(dá)波形設(shè)計(jì)方法，對集中式MIMO雷達(dá)的正交波形設(shè)計(jì)

4、與具有特定方向圖的波形設(shè)計(jì)建立了統(tǒng)一的優(yōu)化模型，該方法在實(shí)現(xiàn)方向圖逼近的同時(shí)，可以對感興趣方向信號的時(shí)域自相關(guān)旁瓣進(jìn)行有效抑制。
　　2.初步研究、分析了通過MIMO雷達(dá)波形設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)同時(shí)多功能。首先提出一種MIMO雷達(dá)多模波形設(shè)計(jì)方法，以方向圖逼近、波束方向信號的功率譜逼近及頻譜逼近等為準(zhǔn)則優(yōu)化波形，所設(shè)計(jì)的波形可以在期望方向形成多個(gè)波束，各波束方向的信號可以具有不同特性，以同時(shí)實(shí)現(xiàn)搜索、成像和跟蹤等功能。在多目標(biāo)場景中，傳統(tǒng)雷

5、達(dá)通過波束切換的方式，依次對各目標(biāo)成像，可減少對于每個(gè)目標(biāo)的駐留時(shí)間，從而導(dǎo)致多普勒分辨力的降低。針對此問題，提出一種寬帶MIMO雷達(dá)波形設(shè)計(jì)方法，該方法可以實(shí)現(xiàn)期望的多波束方向圖，波束方向信號具有期望的功率譜特性。通過利用CZT(Chirp-Z Transform)變換來計(jì)算各方向信號的離散頻譜，有效地降低了計(jì)算量。另外，為了在保證分辨率不損失的情況下降低目標(biāo)回波間的相互干擾，將各期望功率譜隨機(jī)分布于多個(gè)不重疊的子帶區(qū)域?；谒O(shè)計(jì)波

6、形，通過應(yīng)用稀疏重構(gòu)方法可以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)成像。
　　3.實(shí)際場景中目標(biāo)信息不斷變化，需要對波束指向、各目標(biāo)分配的功率及時(shí)調(diào)整。針對此問題，提出了一種基于迭代FFT的MIMO雷達(dá)快速波形設(shè)計(jì)方法。該方法分兩個(gè)獨(dú)立的階段：快速方向圖綜合和空域合成信號優(yōu)化。首先利用迭代FFT方式設(shè)計(jì)波形以逼近期望的方向圖；然后通過優(yōu)化波形的初相序列來提高空域合成信號的自相關(guān)特性。在初相優(yōu)化中，采用了最小化積分旁瓣電平(ISL)和加權(quán)積分旁瓣電平(WISL

7、)準(zhǔn)則來抑制旁瓣。由于該算法的主要計(jì)算可由FFT/IFFT實(shí)現(xiàn)，因此可以滿足實(shí)時(shí)性要求。
　　4.針對空域合成信號的距離旁瓣抑制，提出了兩種方式：脈沖串編碼和失配濾波器設(shè)計(jì)。對于靜止或速度較低的目標(biāo)，脈沖串編碼的方式可以在保證方向圖不變的情況下，進(jìn)一步抑制距離旁瓣。而對于較高速的目標(biāo)，采用一種基于輔助變量的MIMO雷達(dá)失配濾波器，可以在一定的信噪比損失(Signal-to-Noise Ratio Loss，SNRLoss)范圍下，

8、最小化零頻附近多普勒失配下的距離旁瓣。該方式可以在多普勒維展寬距離旁瓣的抑制范圍，對多普勒頻移具有一定穩(wěn)健性。
　　5.針對抗干擾和雜波抑制問題，初步研究了MIMO雷達(dá)認(rèn)知發(fā)射。為了降低被干擾源偵察到的可能，提出了一種自適應(yīng)發(fā)射置零方法，利用接收到的干擾數(shù)據(jù)，構(gòu)造干擾子空間，通過對波形與干擾子空間的正交化，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)發(fā)射置零。另外，針對快速運(yùn)動(dòng)干擾，通過添加導(dǎo)數(shù)約束或利用錐化矩陣可以實(shí)現(xiàn)干擾子空間擴(kuò)展，從而獲得零陷展寬。針對空域非