基于非均匀线阵的MIMO雷达稳健波束形成方法研究
发布时间：2021-08-21 17:15
多输入多输出（MIMO）雷达是当前雷达领域的研究热点,相较于传统的相控阵雷达,它拥有更大的虚拟孔径和更好的参数估计精度。波束形成技术是阵列信号处理中的重要研究方向之一,由于MIMO雷达系统的收发端采用阵列天线排布,波束形成技术已成为MIMO雷达的一个重要研究内容。在传统的MIMO雷达波束形成算法中,阵列大多采用均匀线阵（ULA）配置,然而,均匀线阵所产生的虚拟阵元数目有限,近年来新兴的非均匀线阵（NLA）在实际应用中有着更加重要的意义。NLA可以产生更多的虚拟阵元,形成更大的虚拟孔径,在相同数目的物理阵元数时,NLA能够提供更高的波束分辨力以及更多的目标识别数目。NLA的种类有很多,本文重点研究互质阵列与嵌套阵列。本文将NLA引入MIMO雷达的阵型配置之中,建立了相应的信号模型,并在此基础上对NLA下的MIMO雷达稳健波束形成算法展开了深入研究。本文的创新性研究工作如下:首先,在分析了阵列信号处理中已有的稳健Capon波束形成算法基础上,在阵元配置时引入NLA,实现了两种具有多干扰抑制能力的高分辨波束形成算法----互质阵列稳健波束形成算法和嵌套阵列稳健波束形成算法。仿真实验表明,相较...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：117 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
互质阵列模型
第2章基础知识15套阵所用到的实际物理阵元数为1KiiNN，所形成的空间自由度为213121112311232112{(1)1(1)(1)(1)...[(...1)(...1)]}1211KKKKKKijKijiDOFNNNNNNNNNNNNNNNNNN…(2.18)二级嵌套阵列：上一小节所提的差分合集的概念存在阵列空洞，所以便有互质定理的提出来选取其中较长的连续部分为实际工程所用。同理从上述K级嵌套阵的空间自由度可以看出，一个K级嵌套阵当K2时所等效得到的虚拟孔径并非一个连续的序列，存在许多空洞，而在一种特殊情况下即当K2时的所得到的二级嵌套阵便可以解决这个问题，文本的所有有关嵌套阵的仿真实验便都是基于二级嵌套阵进行的。遵循嵌套阵定义，二级嵌套阵便是由两个均匀线阵嵌套而成，分别称为内层阵列与外层阵列，内层均匀线阵的阵元数为1N，阵元间距为1d，外层均匀线阵的阵元数为2N，阵元间距为211d(N1)d，则一个物理阵元数为12NN的二级嵌套阵列如图2.2所示。图2.2二级嵌套阵列模型其阵元位置为112Smd,m1,2,...,NUn(N1)d,n1,2,...,N……….……(2.19)其等效产生的虚拟阵元遍历2121[(N(N1)1),N(N1)1]内的所有整数，所以其空间自由度为221DOF2N(N1)1……………………….……(2.20)即虚拟阵元数由12NNN提升至212N(N1)1，有效提升了虚拟孔径。由于N、1N和2N的值决定了得到的空间自由度的大小，若要得到最大的空间自由度，
第3章基于非均匀线阵的波束形成算法21第3章基于非均匀线阵的波束形成算法波束形成是阵列信号处理技术中的一个核心研究内容，考虑实际环境中模型失配出现角度误差等情况，后来又提出了稳健波束形成算法。但是，传统波束形成算法中的阵列大都采用均匀线阵配置，文献[85]将互质阵列引入传统波束形成算法，并用仿真实验证明了性能的提高。本章在上述文章的基础上，进一步将互质阵列与嵌套阵列引入稳健波束形成算法之中，通过非均匀阵列的使用显著提高波束形成算法的分辨力。本章首先介绍了波束形成算法的原理，阐述了最佳权矢量的求解方法，分析了经典自适应波束形成算法——MVDR，以及一种稳健波束形成算法——稳健Capon方法，而后，分别将互质阵列与嵌套阵列引入其中，从而实现了两种高性能的阵列信号波束形成算法，最后通过MATLAB仿真实验，验证了本章所提出的基于NLA的算法较传统基于ULA的算法性能明显提升。3.1自适应波束形成及其稳健算法3.1.1波束形成原理在天线阵列中，若将各物理传感器的输出直接相干叠加，则阵列的总输出就会有限，因为只有垂直于传感器平面方向的信号才可以进行同相叠加。如果用相控阵天线法便可以解决上述问题，即如果给每一个阵元都选取一个适当的加权项来弥补信号传输时延，便可以在整个空间中进行波束扫描，且只在期望方向上使阵元输出同相叠加，在其他方向上响应较小，这就是常规波束形成算法的原理。图3.1波束形成算法结构
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于双频互质阵列的DOA估计方法[J]. 陈川,郭勇,贾勇. 计算机应用研究. 2017(05)
[2]基于张量分解的互质阵MIMO雷达目标多参数估计方法[J]. 樊劲宇,顾红,苏卫民,陈金立. 电子与信息学报. 2015(04)
[3]稳健的二级嵌套阵列自适应波束形成算法[J]. 杨杰,廖桂生,李军. 西安电子科技大学学报. 2015(06)
[4]一种新的双基地MIMO雷达快速多目标定位算法[J]. 程院兵,顾红,苏卫民. 电子与信息学报. 2012(02)
硕士论文
[1]快速稳健的自适应波束形成算法研究[D]. 邓欣.西安电子科技大学 2007
本文编号：3356014
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：117 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
互质阵列模型
第2章基础知识15套阵所用到的实际物理阵元数为1KiiNN，所形成的空间自由度为213121112311232112{(1)1(1)(1)(1)...[(...1)(...1)]}1211KKKKKKijKijiDOFNNNNNNNNNNNNNNNNNN…(2.18)二级嵌套阵列：上一小节所提的差分合集的概念存在阵列空洞，所以便有互质定理的提出来选取其中较长的连续部分为实际工程所用。同理从上述K级嵌套阵的空间自由度可以看出，一个K级嵌套阵当K2时所等效得到的虚拟孔径并非一个连续的序列，存在许多空洞，而在一种特殊情况下即当K2时的所得到的二级嵌套阵便可以解决这个问题，文本的所有有关嵌套阵的仿真实验便都是基于二级嵌套阵进行的。遵循嵌套阵定义，二级嵌套阵便是由两个均匀线阵嵌套而成，分别称为内层阵列与外层阵列，内层均匀线阵的阵元数为1N，阵元间距为1d，外层均匀线阵的阵元数为2N，阵元间距为211d(N1)d，则一个物理阵元数为12NN的二级嵌套阵列如图2.2所示。图2.2二级嵌套阵列模型其阵元位置为112Smd,m1,2,...,NUn(N1)d,n1,2,...,N……….……(2.19)其等效产生的虚拟阵元遍历2121[(N(N1)1),N(N1)1]内的所有整数，所以其空间自由度为221DOF2N(N1)1……………………….……(2.20)即虚拟阵元数由12NNN提升至212N(N1)1，有效提升了虚拟孔径。由于N、1N和2N的值决定了得到的空间自由度的大小，若要得到最大的空间自由度，
第3章基于非均匀线阵的波束形成算法21第3章基于非均匀线阵的波束形成算法波束形成是阵列信号处理技术中的一个核心研究内容，考虑实际环境中模型失配出现角度误差等情况，后来又提出了稳健波束形成算法。但是，传统波束形成算法中的阵列大都采用均匀线阵配置，文献[85]将互质阵列引入传统波束形成算法，并用仿真实验证明了性能的提高。本章在上述文章的基础上，进一步将互质阵列与嵌套阵列引入稳健波束形成算法之中，通过非均匀阵列的使用显著提高波束形成算法的分辨力。本章首先介绍了波束形成算法的原理，阐述了最佳权矢量的求解方法，分析了经典自适应波束形成算法——MVDR，以及一种稳健波束形成算法——稳健Capon方法，而后，分别将互质阵列与嵌套阵列引入其中，从而实现了两种高性能的阵列信号波束形成算法，最后通过MATLAB仿真实验，验证了本章所提出的基于NLA的算法较传统基于ULA的算法性能明显提升。3.1自适应波束形成及其稳健算法3.1.1波束形成原理在天线阵列中，若将各物理传感器的输出直接相干叠加，则阵列的总输出就会有限，因为只有垂直于传感器平面方向的信号才可以进行同相叠加。如果用相控阵天线法便可以解决上述问题，即如果给每一个阵元都选取一个适当的加权项来弥补信号传输时延，便可以在整个空间中进行波束扫描，且只在期望方向上使阵元输出同相叠加，在其他方向上响应较小，这就是常规波束形成算法的原理。图3.1波束形成算法结构
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于双频互质阵列的DOA估计方法[J]. 陈川,郭勇,贾勇. 计算机应用研究. 2017(05)
[2]基于张量分解的互质阵MIMO雷达目标多参数估计方法[J]. 樊劲宇,顾红,苏卫民,陈金立. 电子与信息学报. 2015(04)
[3]稳健的二级嵌套阵列自适应波束形成算法[J]. 杨杰,廖桂生,李军. 西安电子科技大学学报. 2015(06)
[4]一种新的双基地MIMO雷达快速多目标定位算法[J]. 程院兵,顾红,苏卫民. 电子与信息学报. 2012(02)
硕士论文
[1]快速稳健的自适应波束形成算法研究[D]. 邓欣.西安电子科技大学 2007
本文编号：3356014
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