MIMO雷達信號檢測與參數(shù)估計算法研究.pdf

1、多輸入多輸出(MIMO)雷達是近年來興起的一種新體制雷達，目前已成為雷達界研究的熱點。與傳統(tǒng)相控陣雷達不同的是，MIMO雷達在發(fā)射端發(fā)射的是一組正交的波形，這種波形的分集能夠在空間形成多個收發(fā)通道，能夠增大系統(tǒng)自由度，提高參數(shù)估計的精度和空間分辨率，增加可估計的最大信源數(shù)等。由于信號檢測與參數(shù)估計是MIMO雷達信號處理的核心內(nèi)容，本論文的研究工作圍繞MIMO雷達的信號檢測和參數(shù)估計相關問題展開，主要研究工作包括以下幾個方面：
　　

2、 1.分析了MIMO雷達模糊函數(shù)的特性，根據(jù)回波信號模型得到單個接收陣元回波信號的模糊函數(shù)，從而推導出相關MIMO雷達的模糊函數(shù)。其模糊函數(shù)是距離、多普勒頻率和角度的三維函數(shù)，可以清楚的反映相關MIMO雷達在距離、多普勒頻率和角度上的分辨特性。對于波形正交的MIMO雷達來說，距離、多普勒頻率和角度之間沒有耦合。其距離—多普勒分辨特性是各個發(fā)射信號的模糊函數(shù)在距離—多普勒維分辨特性的疊加，角度分辨特性是發(fā)射端角度分辨特性與接收端角度分辨

3、特性的綜合。
　　 2.對各種不同線陣結構下MIMO雷達能夠獲得的有效虛擬陣元數(shù)進行了分析和比較，提出了一種基于陣元利用率的MIMO雷達陣列結構優(yōu)化方法。該方法能夠利用較少的實際物理陣元數(shù)獲得盡可能多的MIMO雷達有效虛擬陣元數(shù)，同時使虛擬陣列滿足最小冗余陣的要求，從而獲得較高的系統(tǒng)分辨率并對高旁瓣進行抑制。在總的實際物理陣元數(shù)相同的條件下，本文算法優(yōu)化出的MIMO雷達具有與最小冗余MIMO雷達相近的主瓣寬度和干擾抑制性能，但能

4、夠很好的解決波束柵瓣和高旁瓣問題，獲得更低的主副瓣比。對同等陣元數(shù)條件下該算法優(yōu)化出的MIMO雷達與最小冗余MIMO雷達和均勻線陣MIMO雷達的波束形成性能進行了仿真和比較，驗證了理論分析的正確性。
　　 3.對MIMO雷達的自適應脈沖壓縮問題進行了研究。首先基于最小均方誤差(MMSE)準則，提出了一種有效的MIMO雷達自適應脈沖壓縮方法，從每個接收陣元接收到的信號中分別自適應地計算每個距離單元的脈沖壓縮濾波器的權系數(shù)。經(jīng)過多次

5、迭代，直到獲得期望的脈壓性能。該方法能夠抑制信號本身的距離旁瓣，降低信號之間的互相關電平，使脈壓之后的信號波形更接近理想正交波形匹配濾波之后的信號。為了進一步降低MIMO雷達自適應脈沖壓縮濾波器的計算復雜度，又提出了一種基于多級維納濾波的MIMO雷達自適應脈沖壓縮方法。該方法采用多級維納濾波技術對觀測數(shù)據(jù)進行降維，進而降低權系數(shù)求解的計算量。具有與最小均方誤差自適應脈沖壓縮方法和廣義旁瓣相消(GSC)自適應脈沖壓縮方法相近的脈沖壓縮性能

6、，但其計算復雜度明顯降低。
　　 4.根據(jù)MIMO雷達的工作原理和回波模型，首先討論了幾種典型的波達方向估計方法在MIMO雷達中的應用，然后在陣列最大似然算法的基礎上，推導了MIMO雷達波達方向估計的最大似然方法，并給出了波達方向估計的一致性證明和估計方差的計算公式，理論分析和計算機仿真結果表明，MIMO雷達最大似然估計方差比相同接收陣元數(shù)的傳統(tǒng)相控陣雷達要小。最后提出了一種基于MIMO雷達接收數(shù)據(jù)矩陣行列復用的虛擬空間平滑算法

7、，算法利用MIMO雷達發(fā)射波形的分集和收發(fā)通道的獨立性以及MIMO雷達收、發(fā)陣列之間的對偶性，對MIMO雷達回波數(shù)據(jù)矩陣進行了行列復用以等效地增加樣本數(shù)量，獲得基于發(fā)射陣平滑和基于接收陣平滑的虛擬子陣接收信號，進而計算空間平滑之后的協(xié)方差矩陣。與MIMO雷達接收陣空間平滑算法和虛擬陣列空間平滑算法相比，該算法提高了波達方向的估計精度。
　　 5.提出了一種低復雜度的MIMO雷達信號子空間重構方法，該方法利用基于接收陣的數(shù)據(jù)協(xié)方差