基于信號結(jié)構(gòu)信息的MIMO雷達角度估計算法研究.pdf

1、多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)雷達的概念自2004年提出，便成為雷達界的一個研究熱點。由于MIMO雷達在發(fā)射端多個發(fā)射天線同時發(fā)射相互正交的信號，在接收端通過利用發(fā)射波形的正交性進行匹配處理，從而分離出各個發(fā)射天線的信號后進行相關(guān)處理，具有比傳統(tǒng)相控陣雷達更多的優(yōu)點，如低截獲率、高空域分辨率和多自由度等。在MIMO雷達中，角度估計是MIMO雷達信號處理的核心內(nèi)容之一。隨著信號環(huán)境

2、的日益復(fù)雜，如低截獲率技術(shù)的采用、各類有意或無意的電磁干擾、隱身目標以及信號的時變特性等，這些都會導(dǎo)致 MIMO雷達接收數(shù)據(jù)的信噪比降低和樣本數(shù)量的減少，因此研究小樣本、低信噪比條件下的MIMO雷達角度估計算法具有非常重要的理論意義和應(yīng)用價值。
　　本文首先建立MIMO雷達的信號模型，分析MIMO雷達接收信號的二階統(tǒng)計特性?；?MIMO雷達信號的二階統(tǒng)計特性，研究了基于空間譜搜索的角度估計算法和基于旋轉(zhuǎn)不變子空間的角度估計算法的

3、基本原理。由于這些子空間算法的角度估計性能依賴于接收信號的二階統(tǒng)計特性，因此在低快拍條件下角度估計性能嚴重下降甚至失效。針對該問題，提出一種擴展陣列孔徑的二維聯(lián)合空間平滑算法，該算法能夠有效擴大二維聯(lián)合空間平滑后的虛擬陣列孔徑，在低快拍條件獲得良好的角度估計性能。其次，利用信號的非圓結(jié)構(gòu)信息提高目標角度估計性能的方法。建立雙基地MIMO雷達非圓信號模型，研究利用信號非圓結(jié)構(gòu)信息的共軛旋轉(zhuǎn)不變子空間角度估計算法的基本原理。由于該算法采用信

4、號的非圓結(jié)構(gòu)信息使得 MIMO雷達虛擬陣列進一步擴大，導(dǎo)致運算復(fù)雜度高。針對該問題，提出一種實值共軛旋轉(zhuǎn)不變子空間的角度估計算法，通過利用擴展后虛擬陣列的中心對稱特性對接收數(shù)據(jù)進行實值化處理，推導(dǎo)實值子空間的共軛旋轉(zhuǎn)不變特性實現(xiàn)DOD和DOA聯(lián)合估計。另一方面，與雙基地MIMO雷達不同，單基地 MIMO雷達采用發(fā)射陣列和接收陣列收發(fā)共置方式，具有很多冗余虛擬陣元。通過建立單基地 MIMO雷達非圓信號模型，提出降維的共軛旋轉(zhuǎn)不變子空間算法

5、。該算法有效地消除冗余陣元和利用信號的非圓結(jié)構(gòu)信息，明顯地改善了目標角度估計性能。然后，利用信號的張量結(jié)構(gòu)信息提高目標角度估計性能的方法。建立 MIMO雷達的張量信號模型，研究基于高階奇異值分解的MIMO雷達角度估計算法，該算法有效地利用 MIMO雷達的張量結(jié)構(gòu)信息，在小樣本、低信噪比條件下獲得比傳統(tǒng)子空間算法更加優(yōu)越的角度估計性能。針對高階奇異值分解涉及多個奇異值分解導(dǎo)致運算復(fù)雜度高問題，提出一種實值高階奇異值分解的MIMO雷達角度估

6、計算法，該算法通過將復(fù)數(shù)域奇異值分解問題轉(zhuǎn)換成實數(shù)域奇異值分解問題，從而有效地降低運算復(fù)雜度。另一方面，針對空域色噪聲環(huán)境下的角度估計性能下降甚至失效問題，提出一種高階互協(xié)方差張量分解的角度估計算法，該算法有效地抑制空域色噪聲的影響，獲得良好的角度估計性能。最后，利用信號的稀疏結(jié)構(gòu)信息提高目標角度估計性能的方法。建立雙基地MIMO雷達的空域稀疏表示模型，提出一種基于稀疏表示的雙基地 MIMO雷達角度估計算法，該算法利用雙基地 MIMO雷

7、達接收信號的結(jié)構(gòu)特性將目標角度估計的二維稀疏恢復(fù)問題轉(zhuǎn)化成兩個一維的稀疏恢復(fù)問題，降低了字典中基函數(shù)間的相關(guān)性，獲得良好的角度估計性能。針對單基地MIMO雷達角度估計問題，研究了單基地MIMO雷達的稀疏表示模型，提出了基于加權(quán)稀疏表示的單基地 MIMO雷達角度估計算法，該算法通過利用單基地 MIMO雷達特有的虛擬陣列結(jié)構(gòu)降低完備字典的維數(shù)，同時利用降維Capon空間譜設(shè)計權(quán)值矩陣，從而加強l1范數(shù)的稀疏解，改善目標的角度估計性能。由于稀