發(fā)布時間：2018-03-23 11:38

  本文選題：多輸入多輸出雷達　切入點：波達方向估計　出處：《西安電子科技大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)雷達是在MIMO通信技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新體制雷達,并以其在目標(biāo)檢測、跟蹤、識別和參數(shù)估計等方面所具有的巨大性能優(yōu)勢,成為近十年來雷達研究領(lǐng)域的熱點。與傳統(tǒng)相控陣雷達不同,MIMO雷達利用多天線同步發(fā)射一組相互正交的波形照射目標(biāo),并利用多天線接收處理目標(biāo)回波信號。由于MIMO雷達所采用的波形分集技術(shù),使得該體制雷達具有傳統(tǒng)相控陣雷達所不具備的多項性能優(yōu)勢,如目標(biāo)分辨性能的改善、系統(tǒng)自由度的提高、干擾抑制能力的增強、發(fā)射方向圖的靈活設(shè)計等。根據(jù)天線配置結(jié)構(gòu)的不同,可將MIMO雷達分為分布式和集中式兩大類。分布式MIMO雷達中,各天線相對于目標(biāo)的視線角存在明顯差異,因而具備良好的空間分集增益；集中式MIMO雷達中,雖然各天線相對于目標(biāo)的視線角近似相等,但仍可利用良好的波形分集增益來獲得系統(tǒng)性能的提升。本文圍繞集中式MIMO雷達,著重對該雷達系統(tǒng)中的陣列結(jié)構(gòu)優(yōu)化、稀疏波達方向(Direction-of-Arrival, DOA)估計算法設(shè)計、穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成算法設(shè)計、稀疏成像算法設(shè)計等問題開展研究。主要貢獻可概括為如下四個方面：第一部分,針對傳統(tǒng)均勻布陣MIMO雷達可分辨目標(biāo)數(shù)受限于虛擬陣元數(shù)的問題,作者提出一種基于嵌套陣的MIMO雷達陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計新方法并研究了相應(yīng)的稀疏DOA估計算法。應(yīng)用該新型MIMO雷達陣列結(jié)構(gòu),可分辨的獨立目標(biāo)數(shù)可以大于虛擬陣元數(shù),造成這一可利用自由度增加之現(xiàn)象的本質(zhì)原因在于：該系統(tǒng)通過合理配置MIMO雷達的收發(fā)陣列結(jié)構(gòu),使其等效虛擬陣元(通過一組匹配濾波器在接收端對所有正交發(fā)射波形進行分離得到)的空間分布符合嵌套陣的排列規(guī)則,同時對虛擬陣列接收數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣進行向量化操作,使該協(xié)方差向量等效為一個孔徑擴展的均勻線陣(也可稱作上述虛擬陣列的差合陣列)的單快拍測量矢量。由于嵌套陣列結(jié)構(gòu)的特殊性,使得該差合陣列的自由度遠大于原始虛擬陣列,因而可應(yīng)用于欠定DOA估計場合。另一方面,針對傳統(tǒng)子空間類算法在該單測量矢量信號環(huán)境中失效的問題,作者基于稀疏貝葉斯學(xué)習(xí)準則發(fā)展了一種有效的高分辨DOA估計算法,該算法繼承了稀疏重構(gòu)類方法在信號環(huán)境適應(yīng)能力和測向精度方面的優(yōu)勢,同時借助一組運算復(fù)雜度較低的多項式求根過程來消除離散角度集在測向結(jié)果中所引入的量化誤差。第二部分,將互質(zhì)陣的概念引入到MIMO雷達收發(fā)天線的配置選擇問題中。與第一部分所采用的設(shè)計準則類似,通過優(yōu)化MIMO雷達的收發(fā)陣列結(jié)構(gòu),使該系統(tǒng)的虛擬陣元位置滿足互質(zhì)陣的空間分布形式,從而充分利用互質(zhì)陣在相關(guān)域的自由度擴展特性,以突破虛擬陣元數(shù)目對MIMO雷達最大可分辨目標(biāo)數(shù)的限制。與嵌套陣不同,互質(zhì)陣的差合陣列是非均勻陣,若直接應(yīng)用已有的基于空間平滑的子空間類方法進行DOA估計,會造成對上述差合陣列自由度信息不充分利用的后果。為了解決此問題,與第一部分類似,鑒于稀疏重構(gòu)類算法對任意陣列結(jié)構(gòu)的適用性,作者將稀疏貝葉斯學(xué)習(xí)的思想推廣到互質(zhì)MIMO雷達的DOA估計問題中。需要指出,為了加速算法收斂至全局最優(yōu)解,作者基于MM(Majorization-Minimization)準則推導(dǎo)出了稀疏貝葉斯學(xué)習(xí)過程中超參數(shù)的迭代更新公式。此外,為了消除稀疏重構(gòu)類算法中所固有的模型量化誤差,作者采用一種異于第一部分所述算法的解決途徑一即通過迭代更新離散角度集,使其最終與理想的稀疏字典相匹配。第三部分主要研究了MIMO雷達的穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成技術(shù)。作者將傳統(tǒng)相控陣雷達的穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成器設(shè)計準則推廣到MIMO雷達中,充分利用了MIMO雷達虛擬陣列的高自由度。所提出的穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成算法的核心在于有效重構(gòu)干擾-噪聲協(xié)方差矩陣和精確預(yù)估目標(biāo)導(dǎo)向矢量。具體來講,干擾-噪聲協(xié)方差矩陣可通過將接收數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣投影到干擾-噪聲子空間或?qū)⒛繕?biāo)分量從接收數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣中消去得到；目標(biāo)真實導(dǎo)向矢量可通過解一組新構(gòu)建的優(yōu)化問題(此優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)為最小化波束形成器敏感度)得到。需要指出,作者采用運算復(fù)雜度較低的拉格朗日乘子法求解上述優(yōu)化問題,且最終估計出的目標(biāo)導(dǎo)向矢量具有精確的閉式解。經(jīng)過如上操作,作者所設(shè)計出的穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成器在非理想信號環(huán)境中具有較強的適用性。此外,作者所提出的穩(wěn)健波束形成算法也可契合嵌套MIMO雷達、互質(zhì)MIMO雷達信號模型,因而能夠解決非理想信號環(huán)境中的欠定干擾抑制問題。第四部分,作者充分利用雷達目標(biāo)分布的稀疏性和壓縮感知信息處理的巨大優(yōu)勢,重點研究了基于壓縮感知的MIMO雷達稀疏成像技術(shù)。首先,針對線性調(diào)頻和跳頻兩種波形分集方式,作者建立了相應(yīng)集中式MIMO雷達系統(tǒng)的回波模型,并從模糊函數(shù)的角度分析了兩種發(fā)射波形對成像效果的影響。其次,從校正連續(xù)成像場景的離散化網(wǎng)格與真實目標(biāo)散射點之間存在的網(wǎng)格失配誤差的角度出發(fā),作者將基于泰勒近似技術(shù)的改進型SLIM(Sparse Learning via Iterative Minimization)算法引入MIMO雷達稀疏成像領(lǐng)域,該算法減輕了經(jīng)典稀疏重構(gòu)算法對離散網(wǎng)格的依賴性,有效改善了成像質(zhì)量。
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【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN957.51
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本文編號：1653302