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MIMO雷达检测与估计理论研究

作　者: 何茜
导　师: 何子述
学　校: 电子科技大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 比幅测角相干和非相干处理 MIMO雷达动目标检测参数估计
分类号: TN958
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

多输入多输出(multiple-input multiple-output, MIMO)雷达即采用多个发射天线发送定制波形信号,并采用多个接收天线对回波进行某种联合处理的雷达系统。MIMO雷达架起了雷达与通信技术的桥梁,自其概念被提出以来,受到了众多雷达及通信领域研究者的关注。根据阵元布置的不同,MIMO雷达可分为共置天线(co-located antennas)MIMO雷达和分置天线(widely separated antennas)MIMO雷达两类。针对共置天线MIMO雷达,本文分析了MIMO雷达的同时多波束比幅测角问题。MIMO雷达形成的等效收发联合波束与传统相控阵雷达的接收波束相比,具有波束宽度更窄、旁瓣更低的特点。本文推导MIMO雷达联合波束的方向图,给出其半功率波束宽度及峰值旁瓣高度的计算公式,分析如何对这些联合波束定向来构造正交多波束,并以此为基础讨论同时多波束比幅测角。针对分置天线MIMO雷达,本文的主要工作和贡献为:(1)均匀杂波环境中的运动目标检测当目标速度足够大,但相对传统相控阵运动的径向速度过低时,雷达无法从杂波中分离并检测目标。采用分置天线MIMO雷达则可以解决该问题。本文推导了集中式MIMO雷达、分布式MIMO雷达和相控阵雷达系统的广义似然比(gener-alized likelihood ratio test, GLRT)动目标检测器的表达式,对其性能进行了比较,指出了采用分布式MIMO雷达替代集中式MIMO雷达的利弊,并给出了一种自适应MIMO雷达动目标检测器。(2)速度估计与天线布置为了研究分置天线MIMO雷达对运动目标的速度估计性能,本文给出了速度估计的克拉美-罗界(Cramer-Rao bound, CRB),提出了MIMO雷达速度估计的优化策略。MIMO雷达的估计性能受天线布置的影响较大,本文分析了最优天线布置应满足的条件。(3)非相干(noncoherent)MIMO雷达的联合估计性能利用MIMO雷达对复高斯扩展目标的位置和速度进行联合估计时,本文指出最大似然意义下的最优估计器是非相干的。本文还推导了联合估计的克拉美-罗界,分析了最大似然估计的均方误差,研究了信杂噪比的阀值现象,通过理论分析和数值结果说明了最大似然估计随收发天线数乘积的增加而渐近趋于目标参数真实值。另外,本文采用两种不同的方法导出非相干MIMO雷达的模糊函数,并以实例加以说明。(4)相干(coherent)和非相干处理相干和非相干处理的关键区别之一在于是否要求雷达系统的所有发射机和接收机相位同步。本文研究了MIMO雷达利用相干和非相干处理对目标位置和速度进行联合估计的问题,比较了二者的联合估计性能。通过理论和数值分析,指出在相干处理的性能优于非相干处理的情况下,当发射天线和接收天线数的乘积足够大时,用非相干处理代替相干处理不会造成太大的性能损失。这为实际实现提供了指导,如果要求的天线数在可以承受的范围内,那么从易于实现的角度来讲更建议采用非相干处理。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-14
第一章绪论  14-20
  1.1 MIMO 雷达的基本概念  14-16
  1.2 MIMO 雷达的分类  16
  1.3 MIMO 雷达的研究动态  16-18
  1.4 本文的主要内容及章节安排  18-20
第二章共置天线MIMO 雷达同时多波束比幅测角  20-33
  2.1 信号模型  20-23
  2.2 联合波束形成方向图分析  23-26
    2.2.1 半功率波束宽度  24
    2.2.2 旁瓣电平  24-26
  2.3 同时多波束比幅测角  26-31
    2.3.1 同时多波束形成  26-29
    2.3.2 同时多波束比幅测角  29-31
  2.4 本章小结  31-33
第三章均匀杂波中的运动目标检测  33-48
  3.1 信号模型  33-36
    3.1.1 MIMO 雷达信号模型  33-35
    3.1.2 相控阵雷达信号模型  35-36
    3.1.3 杂波模型  36
  3.2 运动目标检测  36-39
    3.2.1 集中式MIMO 雷达动目标检测器  36-37
    3.2.2 分布式MIMO 雷达动目标检测器  37-38
    3.2.3 相控阵雷达动目标检测器  38-39
    3.2.4 自适应MIMO 雷达动目标检测器  39
  3.3 仿真分析  39-47
    3.3.1 接收机工作特性  40-42
    3.3.2 集中式与分布式MIMO 雷达性能比较  42-43
    3.3.3 发射阵元的分置  43-45
    3.3.4 检测统计量的恒虚警率特性  45-47
  3.4 小结  47-48
第四章分置天线MIMO 雷达的速度估计及天线布置  48-71
  4.1 信号模型  48-50
  4.2 克拉美-罗界及最大似然估计  50-55
    4.2.1 速度估计的克拉美-罗界  50-54
    4.2.2 最大似然估计  54
    4.2.3 基于克拉美-罗界的系统优化分析  54-55
  4.3 基于各向同性散射目标的速度估计  55-59
    4.3.1 克拉美-罗界  55-57
    4.3.2 最大似然估计  57-59
  4.4 基于各向同性散射目标的系统优化设计  59-63
    4.4.1 天线优化布置  59-62
    4.4.2 奇异费歇尔信息矩阵  62-63
  4.5 仿真及数值结果分析  63-69
    4.5.1 最大似然仿真  63-66
    4.5.2 克拉美-罗界分析  66-69
  4.6 讨论与小结  69-71
第五章非相干MIMO 雷达位置及速度联合估计  71-103
  5.1 信号模型  71-73
  5.2 最大似然估计  73-77
    5.2.1 简化模型  73-74
    5.2.2 渐近特性  74-77
  5.3 位置速度联合估计的克拉美-罗界  77-80
  5.4 均方误差分析  80-86
    5.4.1 单脉冲信号  80-84
    5.4.2 多脉冲信号  84-86
  5.5 非相干MIMO 雷达的模糊函数  86-91
    5.5.1 定义非相干MIMO 雷达模糊函数的两种方法  86-88
    5.5.2 简化的非相干MIMO 雷达模糊函数  88-91
  5.6 扩展分析  91-101
    5.6.1 反射系数部分相关的情况  93-98
      5.6.1.1 反射系数的相关矩阵  93-94
      5.6.1.2 渐近分析  94-96
      5.6.1.3 数值结果  96-98
    5.6.2 非正交信号的情况  98-99
    5.6.3 空间色噪声的情况  99
    5.6.4 三维空间的情况  99-101
  5.7 小结  101-103
第六章相干与非相干MIMO 雷达  103-121
  6.1 信号模型  103-106
    6.1.1 相干MIMO 雷达信号模型  104-105
    6.1.2 非相干MIMO 雷达信号模型  105-106
  6.2 相干处理和非相干处理的均方误差比较  106-107
  6.3 相干处理和非相干处理的克拉美-罗界  107-110
    6.3.1 相干处理的克拉美-罗界  108-109
    6.3.2 非相干处理的克拉美-罗界  109-110
  6.4 性能比较和实验结果  110-116
    6.4.1 仿真实验  110-116
  6.5 扩展分析  116-120
    6.5.1 非正交信号的情况  117-118
    6.5.2 空间色噪声的情况  118-120
  6.6 小结  120-121
全文总结与展望  121-123
附录  123-151
  A.1 第三章附录:MIMO 雷达动目标检测器的恒虚警率性能  123-124
  A.2 第四章附录  124-143
    A.2.1 随机反射系数情况下的克拉美-罗界  124-125
    A.2.2 频率扩展信号  125-130
    A.2.3 发射信号正交情况下对δ_(lkk′)，γ和η_(lk) 的简化  130-131
    A.2.4 关于g > 0 ，h > 0 和gh- z~2 > 0 的证明  131-132
    A.2.5 梯度运算的元素  132-135
    A.2.6 引理1 的证明  135-138
    A.2.7 引理2 的证明  138-140
    A.2.8 几个有用的求和公式  140-143
  A.3 第五章附录:频率扩展高斯单脉冲信号  143-144
  A.4 第六章附录  144-151
    A.4.1 非正交发射信号和色噪声情况下相干处理的最大似然估计  144-145
    A.4.2 非正交发射信号和色噪声情况下非相干处理的最大似然估计  145-146
    A.4.3 匹配滤波器输出端的噪声  146-147
    A.4.4 相干处理中的费歇尔信息矩阵的计算  147-149
    A.4.5 费歇尔信息矩阵中的参数  149-151
致谢  151-152
参考文献  152-160
攻读博士期间取得的研究成果  160-162

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