基于稀疏阵列的FDA-MIMO雷达距离—角度联合估计方法研究

发布时间：2020-05-23 19:18

【摘要】：频控阵(FDA)雷达是美国学者P.Antonik等人于2006年提出的一种新型雷达,与传统雷达不同,其发射天线阵列采用频率分集技术,在各个发射阵元上均增加了一个个有序的频率增量,使FDA雷达的波束是距离-角度相关的。将FDA雷达与多输入多输出(MIMO)技术相结合就形成了FDA-MIMO雷达,它作为一种新型雷达机制,近年来得到了广泛关注。目标距离-角度参数联合估计是FDA-MIMO雷达目标定位的关键,而参数估计的精度与分辨率则是参数估计的重要指标,其主要影响因素有阵列孔径、快拍数与信号带宽等。传统的FDA-MIMO雷达目标定位问题中,天线阵列多配置为均匀线阵,具有M个阵元的ULA最多可定位M-1个目标。稀疏阵列是近几年出现的新型天线阵列,包括互质阵列、嵌套阵列等。与传统的均匀线阵不同,稀疏阵列在具有与均匀线阵相同物理阵元数时,可以通过阵列等效获得更大的虚拟阵列孔径,从而获得更好的参数估计性能。然而,在稀疏阵列的阵型等效过程中会导致信号的秩亏缺问题,解决这一问题的经典方法为空间平滑,但空间平滑会牺牲部分阵列孔径,造成雷达参数估计性能的下降。近年来出现的压缩感知算法,可以在不牺牲阵列孔径的前提下有效地解决稀疏阵列等效导致的秩亏缺问题。因此,本文基于压缩感知理论,并采用稀疏阵列(互质阵列和嵌套阵列),对FDA-MIMO雷达距离-角度联合估计问题展开深入研究。所作的创新性工作如下:首先,将FDA-MIMO雷达的天线阵列分别配置为互质阵列和嵌套阵列,并将雷达发射天线各阵元载频间隔配置为互质频率间隔和嵌套频率间隔,提出两种新型单基地FDA-MIMO雷达信号模型------互质频率间隔互质阵列FDA-MIMO雷达和嵌套频率间隔嵌套阵列FDA-MIMO雷达,并在上述信号模型下提出一种基于二维空间平滑MUSIC(2D-SSMUSIC)算法的目标距离-角度联合估计方法。与传统均匀线阵FDA-MIMO雷达相比,两种新型雷达模型的阵列孔径更大,参数估计的分辨率更高。然后,针对稀疏阵列阵型等效导致的秩亏缺问题以及空间平滑技术导致的阵列孔径减小问题,提出一种基于二维正交匹配追踪(2D-OMP)的稀疏阵列FDA-MIMO雷达目标距离-角度联合估计方法。2D-OMP算法分别采用互质阵列和嵌套阵列作为天线阵列,以压缩感知理论为工具,能有效地解决子空间方法所存在的问题。仿真结果表明,此算法相较于传统子空间算法具有更高的估计精度与目标分辨率。最后,针对2D-OMP算法中计算复杂度高的问题,进一步提出一种基于二维分段正交匹配追踪(2D-StOMP)的FDA-MIMO雷达目标距离-角度联合估计方法。2D-StOMP算法基于收缩迭代与压缩感知理论,相较于传统算法,具有更高的参数估计精度与目标分辨率。2D-StOMP算法与2D-OMP算法具有相近的估计精度,但具有更低的时间复杂度。
【图文】：

互质,阵列,阵元间距,阵元

吉林大学硕士学位论文互质阵列定义：M 、N 为一对互质数且 M <N ，对于一个具有 N+2M -1个阵元的互质阵列，其阵列单元位置可以由下式确定：S Mnd ,0 n N 1 N md ,0 m M 1 ………… (2.3其中d 为基本阵元间距单位，数值上等于信号的半波长。即互质阵由一个阵元数为 N 阵元间距为Md 的均匀阵列与一个阵元数为2 M -1阵元间距为 Nd 的均匀阵列组成，，如图 2.1 所示。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN958

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