噪聲MIMO雷達角度估計算法研究.pdf

1、借鑒多輸入多輸出(MIMO)技術在無線通信領域的發(fā)展及取得的巨大成就，雷達工程師將其應用于雷達領域，提出了一種新體制雷達——MIMO雷達。根據陣列配置，MIMO雷達主要分為分布式MIMO雷達和集中式MIMO雷達兩類。分布式MIMO雷達的發(fā)射/接收陣元間距較大，滿足空間分集條件，可從不同角度觀測目標，從而抑制目標雷達截面積(RCS)閃爍，提高探測性能;集中式MIMO雷達的發(fā)射/接收陣列與傳統陣列相同，陣元間距較小，但通過發(fā)射正交波形實現波

2、形分集，可在接收端形成大的虛擬陣列，具有增加最大可辨識的目標個數以及提高角度分辨力等優(yōu)點。本文主要研究了噪聲MIMO雷達的目標發(fā)射角(DOD)和接收角(DOA)估計問題。另外，分析了噪聲信號的脈壓輸出特性，給出了一種快速的隨機多相碼信號設計方法和一種簡單、易實現的MIMO雷達發(fā)射波束形成算法。同時研究了基于噪聲相控陣MIMO雷達的高速目標距離-角度估計問題。本文的主要工作和貢獻歸納如下:
　　 1.噪聲MIMO雷達相關理論

3、>　　 1)通過對脈壓輸出旁瓣的概率分布和二階統計量分析，推導了噪聲信號脈壓輸出主旁瓣比的數學表達式，定量分析了脈壓輸出主旁瓣比與脈壓長度和多普勒頻率等參數的關系。
　　 2)以最小化加權積分旁瓣電平為準則，給出一種重加權循環(huán)算法設計隨機多相碼信號。設計得到的隨機多相碼信號具有較低的自相關和互相關旁瓣電平，可作為MIMO雷達發(fā)射信號。
　　 3)給出子波束合成算法用于MIMO雷達發(fā)射波束形成。該算法通過對多個發(fā)射信號分

4、別加權形成子波束，進而在空間疊加形成在感興趣的空域具有恒定增益，且在其它空域能量最小的發(fā)射波束，從而提高接收端信噪比。該算法無需任何優(yōu)化工具，具有實現簡單，運算量小的優(yōu)點。
　　 4)建立了雙基地MIMO雷達的信號模型，討論了虛擬陣列的形成原理，給出了雙基地MIMO雷達角度估計的克拉美-羅界（CRB）。
　　 2.基于聯合矩陣分解技術的MIMO雷達DOD-DOA估計
　　 1)研究了基于聯合矩陣對角化(JMD)的

5、DOD-DOA估計算法。該算法首先利用奇異值分解和秩1矩陣判斷定理將DOD-DOA估計問題轉化為聯合矩陣對角化問題;然后采用單次-掃描迭代算法對其求解，估計收發(fā)陣列流形矩陣;最后通過譜估計算法恢復目標收發(fā)角。該算法充分利用了匹配濾波輸出的所有信息，無需二維譜峰搜索，每次迭代均可得到精確的閉式解，角度估計精度與二維多重信號分類(MUSIC)算法基本一致，優(yōu)于基于旋轉不變子空間技術(ESPRIT)的算法和傳播算子(PM)算法，且得到的收發(fā)角

6、自動配對。
　　 2)研究了基于聯合矩陣上三角化(JMUT)的DOD-DOA估計算法。該算法首先利用矩陣QR分解將DOD-DOA估計問題轉化為聯合矩陣上三角化問題;然后采用擴展QZ迭代算法對其求解，得到收發(fā)陣列流形矩陣;最后通過譜分析算法恢復收發(fā)角。該算法避免了復雜的二維譜峰搜索，每次迭代均可得到精確的閉式解，收發(fā)角自動配對，其角度估計精度與基于聯合矩陣對角化的算法基本一致，運算量略小于后者。
　　 3.基于張量高階奇異

7、值分解(HOSVD)的MIMO雷達DOD-DOA估計
　　 利用雙基地MIMO雷達匹配濾波輸出數據的多維結構特性，采用一個3階測量張量表示匹配濾波輸出數據，并構造了協方差張量和互協方差張量。通過對這三個張量的HOSVD估計噪聲/信號子空間，并將其與二維MUSIC算法和ESPRIT算法結合估計DOD-DOA。同時，對估計得到的信號子空間的一階擾動進行了分析，推導了其解析表示。理論分析和仿真實驗表明，當目標個數小于發(fā)射陣元數或接收陣

8、元數時，本文算法估計得到的信號子空間的精度高于傳統矩陣奇異值分解(SVD)算法的結果，從而具有更優(yōu)的角度估計性能。另外，將酉ESPRIT(UESPRIT)算法擴展到張量情況，給出HOSVDUESPRIT算法用于DOD-DOA估計，對散射系數具有一定相關性的目標，進一步提高了角度估計精度。
　　 4.基于張量因子分解技術的MIMO雷達4維角度和多普勒頻率估計
　　 提出了基于張量因子分解的雙基地均勻矩形陣MIMO雷達4維角

9、度和多普勒頻率估計算法，其中4維角度包括垂直波離角(EDOD)、水平波離角(ADOD)、垂直波達角(EDOA)和水平波達角(ADOA)。首先建立了均勻矩形陣MIMO雷達的信號模型;然后利用張量的矩陣表示，將匹配濾波輸出轉化為一個5階張量，進而將參數矩陣估計問題轉化為對該張量的因子分解問題;接著采用交替最小二乘(ALS)算法估計4維角度矩陣和多普勒頻率矩陣;最后根據這五個參數矩陣的范德蒙德結構特性，利用譜估計算法估計4維角度和多普勒頻率。

10、另外，對于陣元數和處理脈沖數較大的情況，采用HOSVD進行降維處理，減小運算量，并采用線性搜索加快算法的收斂速度。該算法無需估計信號/噪聲子空間、無需譜峰搜索、得到的4維角度和多普勒頻率自動配對，且具有較高的角度估計精度。
　　 5.噪聲相控陣MIMO雷達高速目標距離-角度估計
　　 針對在高速目標探測方面，傳統單輸入單輸出雷達不能進行長時間有效相參積累檢測的問題，研究了一種基于噪聲相控陣MIMO雷達的高速目標探測方法。