稀布陣列MIMO雷達(dá)成像技術(shù)研究.pdf

1、成像技術(shù)的出現(xiàn)是雷達(dá)發(fā)展史上的重要里程碑。成像雷達(dá)能夠全天候、全時段工作，并可穿透植被、衣服、地表等遮擋物觀測目標(biāo)，具有廣闊的應(yīng)用前景。多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)是近年來由通信領(lǐng)域引入的一種新的雷達(dá)體制，從誕生之日起就引起了國內(nèi)外學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。它在雷達(dá)成像、目標(biāo)角度估計(jì)、反隱身目標(biāo)等方面表現(xiàn)出諸多優(yōu)勢。利用MIMO雷達(dá)在分辨能力方面的優(yōu)勢進(jìn)行成像，能夠縮短積累時間，

2、甚至可實(shí)現(xiàn)單次快拍成像，大大降低了對目標(biāo)運(yùn)動狀態(tài)的要求。它創(chuàng)新性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以克服傳統(tǒng)雷達(dá)成像方法的不足，為雷達(dá)成像提供一種新的思路。在保證成像性能的條件下，對MIMO雷達(dá)陣列進(jìn)行稀疏布置，能夠有效減少設(shè)備數(shù)量、減小信號處理負(fù)擔(dān)、提升系統(tǒng)的可靠度、提高應(yīng)用的靈活性。這些優(yōu)點(diǎn)可以進(jìn)一步凸顯MIMO雷達(dá)成像的價(jià)值，拓展其應(yīng)用空間。
　　本文圍繞稀布陣列MIMO雷達(dá)成像這一主題，沿著單次快拍成像和多次快拍成像兩條技術(shù)路線開展研究，對于每

3、條技術(shù)路線又分為常規(guī)和寬角度兩種情況進(jìn)行討論。主要工作包括以下五個部分內(nèi)容:
　　針對稀布陣列MIMO雷達(dá)成像的基礎(chǔ)問題。第一部分總結(jié)比較了常規(guī)的陣列稀布方法的優(yōu)缺點(diǎn)。借助模糊函數(shù)研究了稀布陣列MIMO雷達(dá)的分辨能力。采用拋物線擬合法計(jì)算模糊函數(shù)在橫、縱兩個方向上切割圖形的主瓣寬度，進(jìn)而推導(dǎo)出MIMO雷達(dá)分辨率的數(shù)學(xué)表達(dá)式。通過對表達(dá)式的分析，討論了影響MIMO雷達(dá)二維分辨率的因素，總結(jié)得到系統(tǒng)設(shè)計(jì)和陣列布置的若干準(zhǔn)則。
　

4、　第二部分研究了稀布陣列MIMO雷達(dá)單次快拍成像。有兩類MIMO陣列可用于二維成像，分別是收/發(fā)陣列相互平行放置和垂直放置，它們對應(yīng)的虛擬陣列是線陣和面陣。本文針對這兩類陣列提出了不同的稀布方法。對于平行放置情況，討論了兩種基于差集理論的陣列設(shè)計(jì)方法，分別適用于對布陣算法運(yùn)算量敏感與否兩種場合。在對運(yùn)算量敏感的場合，可采用借助差集理論進(jìn)行MIMO雷達(dá)快速布陣的方法，所得陣列方向圖的峰值旁瓣比優(yōu)于常用的隨機(jī)陣列;在對運(yùn)算量不敏感的場合，能

5、通過一種將差集理論和遺傳算法相結(jié)合的優(yōu)化方法，以較快的收斂速度獲得比傳統(tǒng)遺傳算法更好的結(jié)果。對于相互垂直放置的情況，提出一種基于差基和差集理論的MIMO雷達(dá)最小冗余垂直陣列構(gòu)造方法。分析表明，所得MIMO雷達(dá)的虛擬陣列在設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的范圍內(nèi)能夠滿足最小冗余條件。最后給出了該方法所得陣列的冗余度極限。
　　第三部分研究了稀布陣列MIMO雷達(dá)單次快拍寬角度成像。由于寬角度成像時可認(rèn)為目標(biāo)位于近場，因此首先推導(dǎo)了MIMO雷達(dá)遠(yuǎn)場和近場的

6、分界條件。接著針對目標(biāo)位于近場的情況，經(jīng)分析后選擇最大投影方向圖代表點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)(Point Spread Function，PSF)，用于衡量不同稀布陣列的成像性能。然后以此標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)適應(yīng)度函數(shù)，運(yùn)用遺傳算法對用于近場條件下寬角度成像的MIMO雷達(dá)陣列進(jìn)行優(yōu)化。在此過程中，提出一種“成對交叉策略”保證遺傳算法進(jìn)化過程中陣列稀疏率的恒定。
　　第四部分研究了稀布陣列MIMO雷達(dá)多次快拍成像。采用逆合成孔徑雷達(dá)(InverseSynth

7、etic Aperture Radar, ISAR)技術(shù)進(jìn)行多次快拍積累，是MIMO雷達(dá)消除因陣列稀布帶來的對成像性能影響的途徑之一。但當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)不完全匹配時，會出現(xiàn)MIMO陣列的空間采樣與ISAR技術(shù)的時間采樣之間不等效現(xiàn)象。為此，研究了空時不等效對成像質(zhì)量的影響，經(jīng)過詳細(xì)推導(dǎo)，得到計(jì)算成像結(jié)果中虛假目標(biāo)數(shù)量、位置的數(shù)學(xué)公式，給出了目標(biāo)與最大假目標(biāo)幅度比值的解析表達(dá)，并對目標(biāo)幅度衰減情況進(jìn)行了定量分析。在此基礎(chǔ)上，對目標(biāo)上特殊點(diǎn)進(jìn)一步

8、討論，總結(jié)了它們方位像的特點(diǎn)。若多次快拍成像時存在空時不等效，需對回波數(shù)據(jù)進(jìn)行方位向重排與插值。這就需要估計(jì)目標(biāo)的運(yùn)動參數(shù)，同時距離-多普勒圖像的橫向定標(biāo)也要以目標(biāo)的運(yùn)動情況作為依據(jù)。從該需求出發(fā)，針對經(jīng)過運(yùn)動補(bǔ)償后等效為勻加速旋轉(zhuǎn)目標(biāo)，提出一種初始角速度和轉(zhuǎn)動加速度聯(lián)合估計(jì)方法。借助MIMO雷達(dá)多通道觀測的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，根據(jù)不同通道回波間相位差異，通過估計(jì)差異信號相位系數(shù)獲得目標(biāo)運(yùn)動狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，分析了算法推導(dǎo)過程中因函數(shù)近似引起的誤

9、差，同時對算法的分辨能力給出定量評估。
　　第五部分研究了稀布陣列MIMO雷達(dá)多次快拍寬角度成像。采用距離-多普勒(Range-Doppler, RD)算法成像原理直觀，步驟簡潔。但它只適用于成像積累角度不大的情形，否則目標(biāo)上的散射點(diǎn)會發(fā)生越分辨單元走動(Motion Through Resolution Cell，MTRC)。而提高雷達(dá)方位向分辨能力又要求增大成像積累角度，因此有必要研究稀布陣列MIMO雷達(dá)多次快拍寬角度成像方法

10、。首先對MIMO雷達(dá)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和采用ISAR技術(shù)時的信號模型進(jìn)行分析，以二次降維方式詳細(xì)討論了回波信號在波數(shù)域的分布特點(diǎn)，得出兩條針對成像應(yīng)用的MIMO雷達(dá)陣列設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。在此基礎(chǔ)上提出一種可有效聚焦的極坐標(biāo)格式算法，經(jīng)過對MIMO雷達(dá)回波數(shù)據(jù)逐次漸進(jìn)降維重排，將其從四維轉(zhuǎn)換到二維。然后憑借距離向和方位向兩次一維插值，把以極坐標(biāo)格式記錄的回波采樣變換為直角坐標(biāo)下均勻分布的數(shù)據(jù)。最后通過傅里葉逆變換實(shí)現(xiàn)成像。此外，對該方法推導(dǎo)過程中引入的誤