【摘要】：成像技術(shù)的出現(xiàn)是雷達發(fā)展史上的重要里程碑。成像雷達能夠全天候、全時段工作,并可穿透植被、衣服、地表等遮擋物觀測目標(biāo),具有廣闊的應(yīng)用前景。多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)是近年來由通信領(lǐng)域引入的一種新的雷達體制,從誕生之日起就引起了國內(nèi)外學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。它在雷達成像、目標(biāo)角度估計、反隱身目標(biāo)等方面表現(xiàn)出諸多優(yōu)勢。利用MIMO雷達在分辨能力方面的優(yōu)勢進行成像,能夠縮短積累時間,甚至可實現(xiàn)單次快拍成像,大大降低了對目標(biāo)運動狀態(tài)的要求。它創(chuàng)新性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以克服傳統(tǒng)雷達成像方法的不足,為雷達成像提供一種新的思路。在保證成像性能的條件下,對MIMO雷達陣列進行稀疏布置,能夠有效減少設(shè)備數(shù)量、減小信號處理負(fù)擔(dān)、提升系統(tǒng)的可靠度、提高應(yīng)用的靈活性。這些優(yōu)點可以進一步凸顯MIMO雷達成像的價值,拓展其應(yīng)用空間。 本文圍繞稀布陣列MIMO雷達成像這一主題,沿著單次快拍成像和多次快拍成像兩條技術(shù)路線開展研究,對于每條技術(shù)路線又分為常規(guī)和寬角度兩種情況進行討論。主要工作包括以下五個部分內(nèi)容： 針對稀布陣列MIMO雷達成像的基礎(chǔ)問題。第一部分總結(jié)比較了常規(guī)的陣列稀布方法的優(yōu)缺點。借助模糊函數(shù)研究了稀布陣列MIMO雷達的分辨能力。采用拋物線擬合法計算模糊函數(shù)在橫、縱兩個方向上切割圖形的主瓣寬度,進而推導(dǎo)出MIMO雷達分辨率的數(shù)學(xué)表達式。通過對表達式的分析,討論了影響MIMO雷達二維分辨率的因素,總結(jié)得到系統(tǒng)設(shè)計和陣列布置的若干準(zhǔn)則。 第二部分研究了稀布陣列MIMO雷達單次快拍成像。有兩類MIMO陣列可用于二維成像,分別是收／發(fā)陣列相互平行放置和垂直放置,它們對應(yīng)的虛擬陣列是線陣和面陣。本文針對這兩類陣列提出了不同的稀布方法。對于平行放置情況,討論了兩種基于差集理論的陣列設(shè)計方法,分別適用于對布陣算法運算量敏感與否兩種場合。在對運算量敏感的場合,可采用借助差集理論進行MIMO雷達快速布陣的方法,所得陣列方向圖的峰值旁瓣比優(yōu)于常用的隨機陣列；在對運算量不敏感的場合,能通過一種將差集理論和遺傳算法相結(jié)合的優(yōu)化方法,以較快的收斂速度獲得比傳統(tǒng)遺傳算法更好的結(jié)果。對于相互垂直放置的情況,提出一種基于差基和差集理論的MIMO雷達最小冗余垂直陣列構(gòu)造方法。分析表明,所得MIMO雷達的虛擬陣列在設(shè)計指標(biāo)要求的范圍內(nèi)能夠滿足最小冗余條件。最后給出了該方法所得陣列的冗余度極限。 第三部分研究了稀布陣列MIMO雷達單次快拍寬角度成像。由于寬角度成像時可認(rèn)為目標(biāo)位于近場,因此首先推導(dǎo)了MIMO雷達遠(yuǎn)場和近場的分界條件。接著針對目標(biāo)位于近場的情況,經(jīng)分析后選擇最大投影方向圖代表點擴展函數(shù)(Point Spread Function,PSF),用于衡量不同稀布陣列的成像性能。然后以此標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計適應(yīng)度函數(shù),運用遺傳算法對用于近場條件下寬角度成像的MIMO雷達陣列進行優(yōu)化。在此過程中,提出一種“成對交叉策略”保證遺傳算法進化過程中陣列稀疏率的恒定。 第四部分研究了稀布陣列MIMO雷達多次快拍成像。采用逆合成孔徑雷達(Inverse Synthetic Aperture Radar, ISAR)技術(shù)進行多次快拍積累,是MIMO雷達消除因陣列稀布帶來的對成像性能影響的途徑之一。但當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)不完全匹配時,會出現(xiàn)MIMO陣列的空間采樣與ISAR技術(shù)的時間采樣之間不等效現(xiàn)象。為此,研究了空時不等效對成像質(zhì)量的影響,經(jīng)過詳細(xì)推導(dǎo),得到計算成像結(jié)果中虛假目標(biāo)數(shù)量、位置的數(shù)學(xué)公式,給出了目標(biāo)與最大假目標(biāo)幅度比值的解析表達,并對目標(biāo)幅度衰減情況進行了定量分析。在此基礎(chǔ)上,對目標(biāo)上特殊點進一步討論,總結(jié)了它們方位像的特點。若多次快拍成像時存在空時不等效,需對回波數(shù)據(jù)進行方位向重排與插值。這就需要估計目標(biāo)的運動參數(shù),同時距離-多普勒圖像的橫向定標(biāo)也要以目標(biāo)的運動情況作為依據(jù)。從該需求出發(fā),針對經(jīng)過運動補償后等效為勻加速旋轉(zhuǎn)目標(biāo),提出一種初始角速度和轉(zhuǎn)動加速度聯(lián)合估計方法。借助MIMO雷達多通道觀測的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢,根據(jù)不同通道回波間相位差異,通過估計差異信號相位系數(shù)獲得目標(biāo)運動狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上,分析了算法推導(dǎo)過程中因函數(shù)近似引起的誤差,同時對算法的分辨能力給出定量評估。 第五部分研究了稀布陣列MIMO雷達多次快拍寬角度成像。采用距離-多普勒(Range-Doppler, RD)算法成像原理直觀,步驟簡潔。但它只適用于成像積累角度不大的情形,否則目標(biāo)上的散射點會發(fā)生越分辨單元走動(Motion Through Resolution Cell, MTRC)。而提高雷達方位向分辨能力又要求增大成像積累角度,因此有必要研究稀布陣列MIMO雷達多次快拍寬角度成像方法。首先對MIMO雷達的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和采用ISAR技術(shù)時的信號模型進行分析,以二次降維方式詳細(xì)討論了回波信號在波數(shù)域的分布特點,得出兩條針對成像應(yīng)用的MIMO雷達陣列設(shè)計準(zhǔn)則。在此基礎(chǔ)上提出一種可有效聚焦的極坐標(biāo)格式算法,經(jīng)過對MIMO雷達回波數(shù)據(jù)逐次漸進降維重排,將其從四維轉(zhuǎn)換到二維。然后憑借距離向和方位向兩次一維插值,把以極坐標(biāo)格式記錄的回波采樣變換為直角坐標(biāo)下均勻分布的數(shù)據(jù)。最后通過傅里葉逆變換實現(xiàn)成像。此外,對該方法推導(dǎo)過程中引入的誤差進行了分析,得到算法的適用條件。
【圖文】：

包括Capon、APES(Amplitude and Phase Estimation),用來估計目標(biāo)的位置和反射信號強度。同時提出一種通用似然比方法(Generalized Likelihood Ratio Test,GLRT)用以消除強干擾造成的虛假目標(biāo)[64]。段聶靜等通過使用確定性陣列與單次快拍并行空間采樣取代傳統(tǒng)ISAR中的非確知性合成陣列與長時間多脈沖懫樣，給出了一種MIMO雷達波數(shù)成像方法。該成像方法利用發(fā)射/接收陣元的角度分集和信號分集，在單次快拍觀測期間即可實現(xiàn)目標(biāo)散射函數(shù)波數(shù)域二維支撐域上的有效觀測，避免了ISAR成像中對目標(biāo)運動的補償難題[65]。Wang等在文獻[66]和[67]分別提出一種基于窄帶和寬帶MIMO雷達的高分辨二維成像技術(shù)。Duan等提出一種采用MIMO雷達進行3D成像的方法[68]。Ma和Su提出采用垂直線陣MIMO雷達進行二維成像，避免了ISAR中復(fù)雜的運動補償[69]。王懷軍等針對MIMO雷達成像，在陣列設(shè)計[7a]、相位中心誤差分析[71]、成像算法[72-75]、旁瓣抑制[76]等方面開展了一系列的研究。2010年，德國的Fraunhofer FHR搭建了MIMO雷達成像演示系統(tǒng)MIRA-CLEX。它的天線陣列長2m，由16個發(fā)射陣元，14個接收陣元組成。通過合理地選擇陣元位置，最終能形成224個虛擬陣元。雷達工作在X波段，發(fā)射信號頻率9.45GHz,瞬時帶寬IGHz。系統(tǒng)外觀如圖1.2(a)所示，圖1.2(b)是其天線陣列的原理框圖[77-79]。

博士論文 稀布陣列MIMO雷達成像技術(shù)研宄上個世紀(jì)70年代末起，美國賓夕法尼亞大學(xué)Steinberg教授領(lǐng)導(dǎo)的Valley Forge研究中心，在稀布陣列雷達成像領(lǐng)域進行了一系列開創(chuàng)性的理論研究和試驗工作[88_92]。1979年該團隊進行了首次試驗，懫用X波段雷達，憑借廣域分布的天線陣列進行高角度分辨率成像，他們將這套系統(tǒng)形象地稱為無線電照相機(radio camera)[93]。近年來，不少研宄者利用稀布陣列MIMO雷達為SAR增加一個維度的分辨能力，實現(xiàn)三維成像。法國 ONERA 的 DRIVE[94]以及德國 Fmunhofer-FHR 的 ARTINO (見圖 1.3) 均采用了這樣的設(shè)計。
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TN957.52

【參考文獻】

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本文編號：2534404