MIMO雷達穩(wěn)健參數(shù)估計與波束形成方法研究.pdf

1、多輸入多輸出(MIMO)雷達作為一種新體制雷達，可以利用發(fā)射信號的多樣性來提高雷達系統(tǒng)性能。就陣列天線的布陣方式而言，MIMO雷達著重研究分布式和集中式兩大類。前者天線之間間距較大;而后者天線之間間距較小，包括單基地MIMO雷達和雙基地MIMO雷達。集中式MIMO雷達與傳統(tǒng)相控陣?yán)走_體制相似，但能利用波形分集提供更多的系統(tǒng)自由度，以提高參數(shù)估計性能。本文主要以集中式MIMO雷達為研究對象，結(jié)合工程應(yīng)用的需求，研究了復(fù)雜環(huán)境下的陣列校正技

2、術(shù)、穩(wěn)健參數(shù)估計方法以及快速發(fā)射方向圖設(shè)計方法，并同時研究了高速平臺雷達的穩(wěn)健波束形成方法。具體研究內(nèi)容如下:
　　1.針對單基地MIMO雷達的陣元位置、幅度及相位誤差校正問題，提出了一種基于分時信源的校正技術(shù)。通過在發(fā)射端發(fā)射正交信號、接收端進行匹配濾波，分離各發(fā)射信號分量，然后抽取對應(yīng)收發(fā)陣列參數(shù)的子矩陣來估計陣列誤差，避免了收發(fā)陣列誤差耦合求解的難題。該方法對收發(fā)陣列的陣列誤差進行離線估計和補償，計算量小，易于工程實現(xiàn)。

3、r>　　2.針對單基地MIMO雷達收發(fā)陣列同時存在陣元互耦效應(yīng)和幅相誤差時測向性能下降的問題，提出了一種基于Capon波束形成的測向算法。該方法利用均勻線陣互耦矩陣的Toeplitz特性降低了參數(shù)空間維數(shù)，并結(jié)合Kronecker積特性將發(fā)射和接收陣列的陣列誤差去耦合，從而對收發(fā)陣列誤差進行迭代補償，最終獲得目標(biāo)方位角的估計。
　　3.通常情況下系統(tǒng)會同時存在多種形式的陣列誤差，可采用方位依賴的幅相誤差對其綜合作用進行描述。針對收

4、發(fā)陣列同時存在方位依賴的幅相誤差的雙基地MIMO雷達，提出了一種基于降維MUSIC的目標(biāo)角度估計算法。該方法引入了少量精確校正的輔助陣元，首先根據(jù)信號子空間與噪聲子空間的正交性，將方位依賴的陣列誤差和目標(biāo)角度進行解耦合;其次利用Kronecker積特性，將原始的兩維搜索問題轉(zhuǎn)化為兩個一維搜索問題，減少了計算量。仿真實驗表明，當(dāng)收發(fā)陣列同時存在陣元位置誤差、幅相誤差和陣元互耦時，所提方法可以有效估計目標(biāo)方位。
　　4.當(dāng)點目標(biāo)模型已

5、不能準(zhǔn)確描述回波信號時，即不能忽略信源的空間分布特性。為解決幅相誤差下雙基地MIMO雷達的相干分布式目標(biāo)參數(shù)估計問題，提出了一種穩(wěn)健的角度估計算法。首先建立了雙基地MIMO雷達相干分布式目標(biāo)的信號模型;其次利用了相干分布式目標(biāo)廣義導(dǎo)向矢量的二次旋轉(zhuǎn)不變性，得以忽略幅相誤差對參數(shù)估計的影響，最終獲得目標(biāo)中心方位角的估計。結(jié)果表明，所提算法能夠在系統(tǒng)存有幅相誤差的情況下獲得目標(biāo)中心方位角的良好估計，并對角信號分布函數(shù)形式不敏感，具有較好的穩(wěn)

6、健性。
　　5.現(xiàn)有集中式MIMO雷達發(fā)射方向圖設(shè)計是通過優(yōu)化發(fā)射信號相關(guān)矩陣來逼近期望方向圖，可采用凸優(yōu)化方法求解，但計算量較大，不利于工程實現(xiàn)。針對此問題，提出了一種循環(huán)迭代的發(fā)射方向圖設(shè)計方法。該方法以加權(quán)最小二乘為準(zhǔn)則，通過引入輔助變量，將對發(fā)射信號相關(guān)矩陣的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為關(guān)于其Hermitian平方根的二次優(yōu)化問題，再以循環(huán)迭代的方式進行求解。對于均勻線陣，當(dāng)采用均勻加權(quán)且離散化方位角在歸一化空間頻率域均勻采樣時，可采用

7、FFT進一步提高計算效率。
　　6.高速平臺可以加裝相控陣體制雷達，當(dāng)雷達載體進行高速運動時，干擾相對陣列的入射方向可能會快速變化。當(dāng)干擾方向快速變化以及存有波束指向誤差時，自適應(yīng)波束形成的輸出信干噪比會急劇下降。針對上述問題，提出了一種基于干擾位置預(yù)測的穩(wěn)健波束形成方法。首先，在定義歸一化空間頻率的基礎(chǔ)上預(yù)測干擾在權(quán)值應(yīng)用時期的位置，給出零陷范圍;然后對零陷范圍進行低增益約束以實現(xiàn)干擾抑制，同時約束主瓣區(qū)域響應(yīng)不衰減以提高波束形