本文選題：多輸入多輸出雷達 + 波形設計�。� 參考：《西安電子科技大學》2014年博士論文

【摘要】：多輸入多輸出(Multi-Input Multi-Output, MIMO)雷達是目前雷達技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點，其特點是每個發(fā)射天線可以獨立發(fā)射不同的波形，與相控陣雷達所有陣元發(fā)射相同的波形相比，MIMO雷達的波形分集能力帶來更多的發(fā)射自由度。可以通過設計發(fā)射波形靈活地設計期望發(fā)射方向圖的形狀。同時，MIMO雷達的波形分集能力是提高雷達資源利用率、實現(xiàn)雷達資源自適應分配調(diào)度的重要手段。本論文結(jié)合具體科研任務，主要圍繞窄/寬帶MIMO雷達的波形設計、穩(wěn)健自適應波束形成方法和新型雷達實時信號處理系統(tǒng)等問題展開研究。 論文的內(nèi)容可概括為如下四個部分： 第一部分研究了窄帶MIMO雷達發(fā)射波形設計方法。針對窄帶MIMO雷達在給定的期望發(fā)射波束方向圖情況下，如何在線快速設計具有良好的自相關(guān)和互相關(guān)性能的發(fā)射波形問題，提出了基于協(xié)方差矩陣空時構(gòu)造的MIMO雷達發(fā)射波形設計方法。首先將發(fā)射波形矩陣分解為空域方向矩陣和時域信號矩陣。然后通過一組發(fā)射導向矢量構(gòu)造空域方向矩陣，通過利用MUSIC方法獲得這組發(fā)射導向矢量的指向角度，而時域信號矩陣是由(0,1)矩陣和離線設計的正交波形集構(gòu)造獲得。實驗結(jié)果表明該方法避免了復雜的迭代和優(yōu)化過程，與已有方法相比，所提方法具有相近的發(fā)射方向圖綜合性能，但其計算復雜度明顯降低。 第二部分研究了寬帶MIMO雷達發(fā)射波形設計方法。首先針對一維均勻線陣寬帶MIMO雷達，提出了一種一維寬帶MIMO雷達頻率不變發(fā)射方向圖快速綜合方法，該方法首先利用均勻線陣的發(fā)射方向圖與發(fā)射波形的頻譜具有一維傅立葉變換的關(guān)系，，去除了發(fā)射方向圖與發(fā)射波形頻率的相關(guān)性；然后建立了具有恒模約束條件的時域波形最優(yōu)匹配頻率響應的代價函數(shù)；最后采用交替優(yōu)化的思想求解出恒模發(fā)射波形。為了匹配二維寬帶MIMO雷達系統(tǒng)給定的期望發(fā)射方向圖，將一維均勻線陣情況下提出的方法進行擴展，通過空域、頻域變量的代換及二維逆傅立葉變換去除了發(fā)射方向圖與波形頻率的相關(guān)性。并且通過交替優(yōu)化求解得到具有恒模性質(zhì)的時域?qū)拵Оl(fā)射波形。提出的方法能夠有效地改善寬帶MIMO雷達發(fā)射波束方向圖頻率色散問題，并且避免了多維優(yōu)化問題中復雜的多維搜索，明顯降低了運算復雜度，仿真實驗驗證了所提方法的有效性。 第三部分研究了穩(wěn)健自適應波束形成方法。針對導向矢量失配和樣本協(xié)方差矩陣估計誤差導致自適應波束形成性能下降的問題，提出一種基于波束域?qū)蚴噶抗烙嫷姆€(wěn)健方法。該方法首先利用期望信號角度失配區(qū)域的補集構(gòu)造波束域轉(zhuǎn)換矩陣，克服了當樣本協(xié)方差矩陣中存在期望信號分量時現(xiàn)有算法出現(xiàn)有用信號對消的缺點。其次推導出波束域?qū)蚴噶抗烙嫹椒�，并將其轉(zhuǎn)化為包含恒模約束的非凸二次約束二次規(guī)劃問題，然后采用半正定松弛規(guī)劃估計實際的波束域?qū)蚴噶�。仿真驗證了所提方法的有效性。 第四部分研究了新型雷達實時信號處理系統(tǒng)。針對新型雷達系統(tǒng)（如MIMO雷達，認知雷達等）的結(jié)構(gòu)特點，首先對雷達實時信號處理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、通用性設計等關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。提出了一種基于交換的開放式雷達系統(tǒng)架構(gòu)，該系統(tǒng)架構(gòu)簡化了復雜的異構(gòu)多模塊互連方式，有助于提高任務分配、軟件設計和調(diào)試的效率，并適用于不同需求的雷達系統(tǒng)。然后在此系統(tǒng)架構(gòu)下，設計了一種新型通用雷達實時信號處理機，該信號處理機采用模塊化設計，具有處理能力強，維護擴展性好，可靠性高等特點。最后結(jié)合MIMO數(shù)字陣雷達系統(tǒng)的具體應用，設計了核心算法節(jié)點的任務分配方案，包括窄帶MIMO接收處理、寬帶波束形成和ISAR成像，并且分析了任務分配方案的實時性能。由于設計的新型通用雷達實時信號處理機具有良好的體系架構(gòu)，通過配置不同的處理功能模塊可以應用于不同的實時信號處理場合。
[Abstract]:Multi-Input Multi-Output (MIMO) radar is a hot spot in the field of radar technology. Its characteristic is that each transmitting antenna can transmit different waveforms independently. Compared with all the same waveforms from the array elements of the phased array radar, the waveform diversity of the MIMO radar brings more free degree of freedom. The shape of the expected emission pattern is designed flexibly by the emission waveform. At the same time, the waveform diversity of the MIMO radar is an important means to improve the utilization of radar resources and realize the adaptive allocation and scheduling of radar resources. This paper, combined with specific research tasks, mainly focuses on the waveform design of narrow / wideband MIMO rea and robust adaptive beamforming. The problems of the method and the new radar real-time signal processing system are studied.
The content of this paper can be summarized as four parts as follows:
In the first part, the design method of the emission waveform of the narrow band MIMO radar is studied. In the case of the given desired emission beam pattern of the narrowband MIMO radar, how to quickly design the transmission waveform with good autocorrelation and intercorrelation performance on line is proposed, and the design side of the MIMO radar emission waveform based on the covariance matrix space time structure is proposed. First, the emission waveform matrix is decomposed into space direction matrix and time domain signal matrix. Then, the direction matrix of the space domain is constructed by a group of emission guidance vectors, and the direction angle of the emission guidance vector is obtained by using the MUSIC method, and the time domain signal matrix is constructed by the (0,1) matrix and the off-line orthogonal waveforms set. The experimental results show that the proposed method avoids the complex iteration and optimization process. Compared with the existing methods, the proposed method has a similar comprehensive performance of the emission pattern, but its computational complexity is obviously reduced.
In the second part, the design method of the wideband MIMO radar emission waveform is studied. Firstly, a fast synthesis method of one dimensional broadband MIMO radar with wideband MIMO radar frequency invariant emission is proposed. The method first uses the emission pattern of uniform linear array and the spectrum of the firing waveform to have one dimensional Fu Liye transform. The relationship between the emission pattern and the frequency of the emission waveform is removed; then the cost function of the optimal matching frequency response of the time domain waveform with constant mode constraints is established. Finally, the constant mode emission waveform is solved by the idea of alternating optimization. In order to match the desired emission pattern given by the two-dimensional wide-band MIMO radar system, the desired emission pattern will be matched. The method proposed in one dimensional uniform linear array is extended. The correlation between the emission pattern and the waveform frequency is removed through the space domain, the frequency domain variable substitution and the two-dimensional inverse Fu Liye transform, and the time-domain wideband emission waveform with constant mode properties is obtained by alternating optimization. The proposed method can effectively improve the broadband MIMO mine. The frequency dispersion of the beam pattern is solved, and the complex multidimensional search is avoided in the multidimensional optimization problem. The computational complexity is obviously reduced. The simulation experiment proves the effectiveness of the proposed method.
In the third part, a robust adaptive beamforming method is studied. In view of the problem of adaptive beamforming performance degradation resulting from the guidance vector mismatch and the sample covariance matrix estimation error, a robust method based on the beam domain guidance vector estimation is proposed. This method first constructs the beam using the complement set of the desired signal angle mismatch region. The domain transformation matrix overcomes the shortcoming that the existing algorithm appears useful signal cancellation when the expected signal component exists in the sample covariance matrix. Secondly, the beam domain guidance vector estimation method is derived, and it is transformed into a non convex two order constraint two order programming problem with constant modulus constraints, and then the semi positive definite relaxation programming is used to estimate the actual situation. Simulation results show that the proposed method is effective.
In the fourth part, the new radar real-time signal processing system is studied. In view of the structural features of the new radar system (such as MIMO radar, cognitive radar, etc.), the architecture of the radar real-time signal processing system and the general design of the key technologies are studied. An open radar system architecture based on exchange is proposed. The architecture simplifies the complex heterogeneous multi module interconnection mode, and helps to improve the task allocation, the efficiency of software design and debugging, and is applicable to different radar systems with different requirements. Then, under the framework of this system, a new type of Universal Radar Real-time signal processor is designed. The signal processor is modular design with strong processing capacity and dimension. In the end, based on the application of the MIMO digital array radar system, the task allocation scheme of the core algorithm nodes is designed, including the narrowband MIMO receiving processing, the broadband beamforming and the ISAR imaging, and the real-time performance of the task allocation scheme is analyzed. The machine has good architecture and can be applied to different real-time signal processing situations by configuring different processing modules.
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TN957.51

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本文編號：1958491