MIMO雷达稳健参数估计与波束形成方法研究

发布时间：2017-03-25 08:14

  本文关键词：MIMO雷达稳健参数估计与波束形成方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：多输入多输出(MIMO)雷达作为一种新体制雷达,可以利用发射信号的多样性来提高雷达系统性能。就阵列天线的布阵方式而言,MIMO雷达着重研究分布式和集中式两大类。前者天线之间间距较大；而后者天线之间间距较小,包括单基地MIMO雷达和双基地MIMO雷达。集中式MIMO雷达与传统相控阵雷达体制相似,但能利用波形分集提供更多的系统自由度,以提高参数估计性能。本文主要以集中式MIMO雷达为研究对象,结合工程应用的需求,研究了复杂环境下的阵列校正技术、稳健参数估计方法以及快速发射方向图设计方法,并同时研究了高速平台雷达的稳健波束形成方法。具体研究内容如下：1.针对单基地MIMO雷达的阵元位置、幅度及相位误差校正问题,提出了一种基于分时信源的校正技术。通过在发射端发射正交信号、接收端进行匹配滤波,分离各发射信号分量,然后抽取对应收发阵列参数的子矩阵来估计阵列误差,避免了收发阵列误差耦合求解的难题。该方法对收发阵列的阵列误差进行离线估计和补偿,计算量小,易于工程实现。2.针对单基地MIMO雷达收发阵列同时存在阵元互耦效应和幅相误差时测向性能下降的问题,提出了一种基于Capon波束形成的测向算法。该方法利用均匀线阵互耦矩阵的Toeplitz特性降低了参数空间维数,并结合Kronecker积特性将发射和接收阵列的阵列误差去耦合,从而对收发阵列误差进行迭代补偿,最终获得目标方位角的估计。3.通常情况下系统会同时存在多种形式的阵列误差,可采用方位依赖的幅相误差对其综合作用进行描述。针对收发阵列同时存在方位依赖的幅相误差的双基地MIMO雷达,提出了一种基于降维MUSIC的目标角度估计算法。该方法引入了少量精确校正的辅助阵元,首先根据信号子空间与噪声子空间的正交性,将方位依赖的阵列误差和目标角度进行解耦合：其次利用Kronecker积特性,将原始的两维搜索问题转化为两个一维搜索问题,减少了计算量。仿真实验表明,当收发阵列同时存在阵元位置误差、幅相误差和阵元互耦时,所提方法可以有效估计目标方位。4.当点目标模型已不能准确描述回波信号时,即不能忽略信源的空间分布特性。为解决幅相误差下双基地MIMO雷达的相干分布式目标参数估计问题,提出了一种稳健的角度估计算法。首先建立了双基地MIMO雷达相干分布式目标的信号模型;其次利用了相干分布式目标广义导向矢量的二次旋转不变性,得以忽略幅相误差对参数估计的影响,最终获得目标中心方位角的估计。结果表明,所提算法能够在系统存有幅相误差的情况下获得目标中心方位角的良好估计,并对角信号分布函数形式不敏感,具有较好的稳健性。5.现有集中式MIMO雷达发射方向图设计是通过优化发射信号相关矩阵来逼近期望方向图,可采用凸优化方法求解,但计算量较大,不利于工程实现。针对此问题,提出了一种循环迭代的发射方向图设计方法。该方法以加权最小二乘为准则,通过引入辅助变量,将对发射信号相关矩阵的优化问题转化为关于其Hermitian平方根的二次优化问题,再以循环迭代的方式进行求解。对于均匀线阵,当采用均匀加权且离散化方位角在归一化空间频率域均匀采样时,可采用FFT进一步提高计算效率。6.高速平台可以加装相控阵体制雷达,当雷达载体进行高速运动时,干扰相对阵列的入射方向可能会快速变化。当干扰方向快速变化以及存有波束指向误差时,自适应波束形成的输出信干噪比会急剧下降。针对上述问题,提出了一种基于干扰位置预测的稳健波束形成方法。首先,在定义归一化空间频率的基础上预测干扰在权值应用时期的位置,给出零陷范围；然后对零陷范围进行低增益约束以实现干扰抑制,同时约束主瓣区域响应不衰减以提高波束形成对指向误差的稳健性。仿真实验表明,该方法可以有效抑制方向快速变化的干扰信号,并对指向误差具有较好的稳健性,有效延长了权值使用时间。
【关键词】：多输入多输出(MIMO)雷达 阵列校正 参数估计 发射方向图设计 稳健波束形成
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN958
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 符号对照表13-14
• 缩略语对照表14-19
• 第一章 绪论19-31
• 1.1 选题缘由和意义19-22
• 1.2 研究历史与现状22-28
• 1.2.1 集中式MIMO雷达参数估计的研究历史与现状23-25
• 1.2.2 MIMO雷达发射方向图设计的研究历史与现状25-26
• 1.2.3 自适应波束形成方法的研究历史与现状26-28
• 1.3 论文内容与安排28-31
• 第二章 集中式MIMO雷达的工作特点31-39
• 2.1 虚拟阵元31-33
• 2.2 阵列误差及其建模33-35
• 2.3 方向图设计35-37
• 2.4 本章小节37-39
• 第三章 单基地MIMO雷达阵列校正技术39-63
• 3.1 基于分时信源的校正技术40-51
• 3.1.1 单基地MIMO雷达MUSIC算法40-42
• 3.1.2 阵列误差校正42-46
• 3.1.3 仿真分析46-51
• 3.1.4 小结51
• 3.2 基于Capon波束形成的自校正技术51-61
• 3.2.1 信号模型52-53
• 3.2.2 算法描述53-56
• 3.2.3 仿真分析56-61
• 3.2.4 小结61
• 3.3 本章小结61-63
• 第四章 双基地MIMO雷达稳健参数估计方法63-79
• 4.1 基于降维MUSIC的方位角估计方法64-70
• 4.1.1 信号模型64-66
• 4.1.2 算法描述66-67
• 4.1.3 仿真分析67-69
• 4.1.4 小结69-70
• 4.2 稳健的相干分布式目标中心方位角估计方法70-78
• 4.2.1 信号模型70-72
• 4.2.2 算法描述72-75
• 4.2.3 仿真分析75-77
• 4.2.4 小结77-78
• 4.3 本章小结78-79
• 第五章 MIMO雷达快速发射方向图设计方法79-91
• 5.1 问题描述80-81
• 5.2 快速发射方向图设计方法81-85
• 5.2.1 循环迭代法81-84
• 5.2.2 迭代FFT法84-85
• 5.3 仿真实验85-89
• 5.3.1 非均匀加权情况85-87
• 5.3.2 均匀加权情况87-89
• 5.4 本章小结89-91
• 第六章 稳健的自适应波束形成方法91-107
• 6.1 信号模型92-95
• 6.2 经典的自适应波束形成方法95-99
• 6.2.1 Capon波束形成方法96
• 6.2.2 零陷加宽方法96-97
• 6.2.3 干扰协方差矩阵重构法97-99
• 6.3 基于干扰位置预测的波束形成方法99-103
• 6.3.1 LCMV波束形成方法99-102
• 6.3.2 基于干扰位置预测的稳健波束形成方法102-103
• 6.4 仿真分析103-106
• 6.5 本章小结106-107
• 第七章 结论和展望107-111
• 7.1 研究结论107-109
• 7.2 研究展望109-111
• 参考文献111-121
• 致谢121-123
• 作者简介123-124

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 郭艺夺;张永顺;张林让;童宁宁;;双基地MIMO雷达收发阵列互耦条件下目标定位方法[J];西安电子科技大学学报;2011年06期

  本文关键词：MIMO雷达稳健参数估计与波束形成方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：266918