MIMO雷達(dá)波形設(shè)計(jì)與實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)研究.pdf

1、多輸入多輸出(Multi-Input Multi-Output, MIMO)雷達(dá)是目前雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),其特點(diǎn)是每個(gè)發(fā)射天線可以獨(dú)立發(fā)射不同的波形,與相控陣?yán)走_(dá)所有陣元發(fā)射相同的波形相比,MIMO雷達(dá)的波形分集能力帶來(lái)更多的發(fā)射自由度?？梢酝ㄟ^(guò)設(shè)計(jì)發(fā)射波形靈活地設(shè)計(jì)期望發(fā)射方向圖的形狀。同時(shí),MIMO雷達(dá)的波形分集能力是提高雷達(dá)資源利用率、實(shí)現(xiàn)雷達(dá)資源自適應(yīng)分配調(diào)度的重要手段。本論文結(jié)合具體科研任務(wù),主要圍繞窄/寬帶MIMO雷達(dá)的

2、波形設(shè)計(jì)、穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成方法和新型雷達(dá)實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)等問(wèn)題展開(kāi)研究。
　　論文的內(nèi)容可概括為如下四個(gè)部分:
　　第一部分研究了窄帶MIMO雷達(dá)發(fā)射波形設(shè)計(jì)方法。針對(duì)窄帶MIMO雷達(dá)在給定的期望發(fā)射波束方向圖情況下,如何在線快速設(shè)計(jì)具有良好的自相關(guān)和互相關(guān)性能的發(fā)射波形問(wèn)題,提出了基于協(xié)方差矩陣空時(shí)構(gòu)造的MIMO雷達(dá)發(fā)射波形設(shè)計(jì)方法。首先將發(fā)射波形矩陣分解為空域方向矩陣和時(shí)域信號(hào)矩陣。然后通過(guò)一組發(fā)射導(dǎo)向矢量構(gòu)造空域方向

3、矩陣,通過(guò)利用MUSIC方法獲得這組發(fā)射導(dǎo)向矢量的指向角度,而時(shí)域信號(hào)矩陣是由(0,1)矩陣和離線設(shè)計(jì)的正交波形集構(gòu)造獲得。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法避免了復(fù)雜的迭代和優(yōu)化過(guò)程,與已有方法相比,所提方法具有相近的發(fā)射方向圖綜合性能,但其計(jì)算復(fù)雜度明顯降低。
　　第二部分研究了寬帶 MIMO雷達(dá)發(fā)射波形設(shè)計(jì)方法。首先針對(duì)一維均勻線陣寬帶MIMO雷達(dá),提出了一種一維寬帶MIMO雷達(dá)頻率不變發(fā)射方向圖快速綜合方法,該方法首先利用均勻線陣的發(fā)射方

4、向圖與發(fā)射波形的頻譜具有一維傅立葉變換的關(guān)系,去除了發(fā)射方向圖與發(fā)射波形頻率的相關(guān)性;然后建立了具有恒模約束條件的時(shí)域波形最優(yōu)匹配頻率響應(yīng)的代價(jià)函數(shù);最后采用交替優(yōu)化的思想求解出恒模發(fā)射波形。為了匹配二維寬帶MIMO雷達(dá)系統(tǒng)給定的期望發(fā)射方向圖,將一維均勻線陣情況下提出的方法進(jìn)行擴(kuò)展,通過(guò)空域、頻域變量的代換及二維逆傅立葉變換去除了發(fā)射方向圖與波形頻率的相關(guān)性。并且通過(guò)交替優(yōu)化求解得到具有恒模性質(zhì)的時(shí)域?qū)拵Оl(fā)射波形。提出的方法能夠有效地

5、改善寬帶MIMO雷達(dá)發(fā)射波束方向圖頻率色散問(wèn)題,并且避免了多維優(yōu)化問(wèn)題中復(fù)雜的多維搜索,明顯降低了運(yùn)算復(fù)雜度,仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的有效性。
　　第三部分研究了穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成方法。針對(duì)導(dǎo)向矢量失配和樣本協(xié)方差矩陣估計(jì)誤差導(dǎo)致自適應(yīng)波束形成性能下降的問(wèn)題,提出一種基于波束域?qū)蚴噶抗烙?jì)的穩(wěn)健方法。該方法首先利用期望信號(hào)角度失配區(qū)域的補(bǔ)集構(gòu)造波束域轉(zhuǎn)換矩陣,克服了當(dāng)樣本協(xié)方差矩陣中存在期望信號(hào)分量時(shí)現(xiàn)有算法出現(xiàn)有用信號(hào)對(duì)消的缺點(diǎn)

6、。其次推導(dǎo)出波束域?qū)蚴噶抗烙?jì)方法,并將其轉(zhuǎn)化為包含恒模約束的非凸二次約束二次規(guī)劃問(wèn)題,然后采用半正定松弛規(guī)劃估計(jì)實(shí)際的波束域?qū)蚴噶?。仿真?yàn)證了所提方法的有效性。
　　第四部分研究了新型雷達(dá)實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)。針對(duì)新型雷達(dá)系統(tǒng)(如 MIMO雷達(dá),認(rèn)知雷達(dá)等)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),首先對(duì)雷達(dá)實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、通用性設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。提出了一種基于交換的開(kāi)放式雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu),該系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)化了復(fù)雜的異構(gòu)多模塊互連方式,有助于提高任

7、務(wù)分配、軟件設(shè)計(jì)和調(diào)試的效率,并適用于不同需求的雷達(dá)系統(tǒng)。然后在此系統(tǒng)架構(gòu)下,設(shè)計(jì)了一種新型通用雷達(dá)實(shí)時(shí)信號(hào)處理機(jī),該信號(hào)處理機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì),具有處理能力強(qiáng),維護(hù)擴(kuò)展性好,可靠性高等特點(diǎn)。最后結(jié)合MIMO數(shù)字陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的具體應(yīng)用,設(shè)計(jì)了核心算法節(jié)點(diǎn)的任務(wù)分配方案,包括窄帶MIMO接收處理、寬帶波束形成和ISAR成像,并且分析了任務(wù)分配方案的實(shí)時(shí)性能。由于設(shè)計(jì)的新型通用雷達(dá)實(shí)時(shí)信號(hào)處理機(jī)具有良好的體系架構(gòu),通過(guò)配置不同的處理功能模塊可以