多通道雷达成像与DOA外场试验研究

多输入多输出(multiple-input multiple-output, MIMO)技术用于多通道雷达,可以扩展阵列孔径,提高系统分辨力。证明了一个发射阵元和一个接收阵元通过分时移位模拟MIMO雷达工作状态的可行性,提出以一发一收构建一套MIMO雷达试验系统。给出了系统搭建原理和测量方法,设计了实孔径阵列和等效阵列外场试验,结果表明,阵列孔径得到了扩展,成像与DOA估计的分辨力得到了提高。     

非均匀线阵MIMO雷达的多目标定位方法

提出一种非均匀线阵多输入多输出（multiple input multiple output, MIMO）雷达的多目标定位方法。该方法基于阵列内插技术,构造一个内插矩阵对非均匀线阵MIMO雷达进行处理,满足虚拟均匀线阵MIMO雷达的特性,推导出虚拟均匀线阵MIMO雷达的信号子空间,最后利用旋转不变信号参数估计技术（estimating signal parameter via rotational invariance techniques, ESPRIT）对目标方位角度进行估计。其优点是突破ESPRIT算法对阵元配置的要求,且有效增加了阵元数目(实为虚拟阵元),提高了方位角分辨率。仿真结果表明,该算法增加了MIMO雷达探测目标数,角度估计精度接近克拉美罗界根。同时,所估计的二维方位角参数自动配对,不需要额外的配对运算,计算量小。     

基于发射分集的MIMO雷达相参信号处理方法

针对多个运动的慢起伏目标情况,研究了发射分集多入多出(multiple input multiple output,MIMO)雷达的相参信号处理方法.提出了一种重复利用回波数据的目标参数估计算法.发射分集MIMO雷达的发射阵元间距满足空间分集条件,其接收端采用阵元间距为半波长的均匀线阵.按距离门对其回波信号进行脉压-Capon谱估计,可提取出各目标对应不同发射阵元的初步位置信息.然后利用回波数据及目标的初步位置信息,把同一目标对应不同发射阵元的脉压数据矢量经多普勒频移和相位补偿后相加,再进行Capon谱估计,获得高精度的目标方位角估计值.仿真结果表明,该算法可对雷达观测区域内的多个动目标进行高精度定位.     

宽带MIMO雷达频率不变发射方向图快速综合方法

多输入多输出（multiple-input multiple-output, MIMO）雷达的波形分集能力带来了灵活的发射波束方向图设计方法。针对均匀线阵提出了一种基于频率不变波束形成法快速综合宽带MIMO雷达发射方向图的方法,该方法利用频率不变波束形成法求解宽带MIMO雷达发射波形的频谱,采用交替矩阵匹配法设计恒模的发射波形。与基于两级迭代的宽带方向图综合方法（wideband beampattern formation via iterative techniques, WBFIT）相比,该方法无需矩阵求逆且迭代次数明显减少,大大降低了计算复杂度。计算机仿真结果表明,该方法具有与WBFIT法相近的宽带方向图综合性能,计算时间只有WBFIT方法的10％左右。     

基于虚拟孔径投影的共形阵MIMO雷达发射波形设计

为了克服共形阵天线单元指向互异带来波形旁瓣高的缺点,该文以圆弧阵为例,提出一种基于虚拟孔径投影的共形阵多输入多输出(multiple input multiple output，MIMO)雷达发射波形设计方法。该方法首先对各阵元指向进行精确建模,并通过共形阵虚拟投影方法,获得规则虚拟投影阵列;其次向量化发射信号矩阵,将发射波形设计问题转为发射信号协方差矩阵降秩问题;最后通过log det heuristic 算法获得针对该虚拟阵列波形设计的凸优化数学模型,并利用凸优化工具箱对其求解。仿真结果表明,相较于现有方法,该方法能够对共形阵MIMO雷达设计更低旁瓣的发射波形。     

二维混合MIMO相控阵雷达的嵌套阵列结构设计

针对二维混合多输入多输出(multiple input multiple output,MIMO)相控阵雷达发射阵列子阵分割带来的自由度(degree of freedom, DOF)减小问题,提出了基于嵌套阵结构的收发阵列设计方法。首先给出基于一维嵌套阵的二维混合MIMO相控阵雷达发射阵列,在此基础上将接收端设置为嵌套阵,最后通过做虚拟阵列以及差异阵列,形成虚拟阵元数目扩展,在保留混合MIMO相控阵雷达优势的基础上增大了阵列DOF。同时给出了阵列流形的闭合表达式,推导出了基于最大DOF准则的最优嵌套阵元数目。仿真实验表明,相较于传统和互质的混合MIMO相控阵雷达,所提方法可有效提高阵列DOF和波达方向估计精度。     

基于L型阵列MIMO雷达的DOA矩阵方法

首先提出一种基于波达方向（direction of arrival, DOA）矩阵思想的L型阵列多输入多输出（multiple input multiple output, MIMO）雷达二维角度估计方法。通过将L型阵列MIMO雷达所产生的二维虚拟平面阵列划分为两个子阵,并构造估计矩阵以实现二维角度估计。在此基础上,针对角度兼并问题,进一步提出联合对角化DOA矩阵方法。该方法通过构造4个子阵,并采用联合对角化方法估计目标二维角度。该方法在保持原DOA矩阵法无需二维谱峰搜索和参数配对等优点的基础上避免了角度兼并问题,能够减少阵列孔径损失,有效提高阵元利用率和角度估计精度。仿真实验验证了所提方法的有效性。     

多载频MIMO雷达的模糊函数

建立了多载频MIMO(multiple-input multiple-output)雷达的发射、接收信号模型。利用匹配滤波理论并引入阵列的孔径推导出了多载频MIMO雷达的多维模糊函数,并利用MIMO雷达发射信号正交的特点进行简化。证明了在远场窄带情况下可简化为时间和空间分离的函数,推导出距离分辨率由发射信号的带宽以及天线间的带宽同时决定。以简单均匀线阵为例,仿真分析了单基地和双基地情况下多载频线形调频(LFM)信号的多维模糊函数特点和距离分辨率;对双基地雷达来说,目标位置不同距离和角度分辨率都有所变化。     

基于二次编码的MIMO雷达阵列稀布与天线综合

研究MIMO雷达在阵元数有限、阵列孔径有限、水平维和垂直维分别存在最小阵元间距等约束条件下的天线方向图综合问题。MIMO雷达采用稀布天线,为了降低旁瓣电平,天线综合过程中同时考虑发射方向图和接收方向图的影响,将阵元间距的稀疏约束从规则栅格扩展为仅有两维坐标的约束,提出采用二次编码的改进遗传算法,有效地解决了MIMO雷达天线方向图综合中低旁瓣电平设计问题。结合某工程要求给出了某MIMO雷达天线阵优化结果。仿真结果证实了方法的有效性。     

波形正交性退化下机载MIMO雷达杂波模型与自由度分析

针对发射波形正交性退化影响机载多输入多输出（multiple input multiple output,MIMO）雷达的杂波特性,基于信号空间和子阵空间的变换原理,建立了波形正交性退化下的机载MIMO雷达杂波通用模型和标准模型。基于带限信号的最优逼近特性,分析了波形正交性退化下的空时等效阵列孔径变化规律,提出了杂波自由度（degree of freedom, DOF）的估计准则。最后,仿真验证了杂波模型及杂波自由度估计准则的有效性。     

Novel imaging methods of stepped frequency radar based on compressed sensing

The theory of compressed sensing (CS) provides a new chance to reduce the data acquisition time and improve the data usage factor of the stepped frequency radar system. In light of the sparsity of radar target reflectivity, two imaging methods based on CS, termed the CS-based 2D joint imaging algorithm and the CS-based 2D decoupled imaging algorithm, are proposed. These methods incorporate the coherent mixing operation into the sparse dictionary, and take random measurements in both range and azimuth directions to get high resolution radar images, thus can remarkably reduce the data rate and simplify the hardware design of the radar system while maintaining imaging quality. Experiments from both simulated data and measured data in the anechoic chamber show that the proposed imaging methods can get more focused images than the traditional fast Fourier transform method. Wherein the joint algorithm has stronger robustness and can provide clearer inverse synthetic aperture radar images, while the decoupled algorithm is computationally more efficient but has slightly degraded imaging quality, which can be improved by increasing measurements or using a robuster recovery algorithm nevertheless.     

MIMO雷达稀疏阵列优化设计方法

针对运动平台多输入多输出(multiple input multiple output, MIMO)雷达应用中无法进行规则稀疏布阵, 传统的稀疏阵优化设计方法优化对象单一的问题, 提出一种利用多目标进化算法(multi-objective evolutionary algorithm, MOEA)进行阵列结构优化的方法。将MIMO雷达接收端的收发联合和差波束的旁瓣电平为优化目标, 使系统具有尽可能好的和差波束旁瓣抑制性能。仿真结果表明, 基于Pareto秩排序的MOEA的MIMO雷达稀疏阵优化设计可以使系统多种性能得到提升。     

基于稀疏重构的L型阵列MIMO雷达降维DOA估计

针对L型阵列多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)雷达二维空间角估计问题,提出一种基于协方差矩阵联合稀疏重构的降维波达方向(direction of arrival,DOA)估计算法。该算法根据L型阵列MIMO雷达联合流型矢量的特点,通过降维矩阵的设计及回波数据的降维变换,最大程度地去除了所有的冗余数据;通过协方差矩阵联合构造稀疏线性模型,将2维角参量空间映射到1维空间,极大降低字典长度和求解复杂度的同时,不牺牲阵列孔径,实现了二维空间角度的有效估计和参数的自动配对。理论分析与实验仿真表明:与RD_MUSIC算法相比,本文降维处理有效提高阵元利用率的同时,最大程度地降低了回波数据的维数;与传统子空间类算法相比,基于协方差矩阵联合构造的稀疏线性模型充分利用了阵列孔径,无需预先估计目标数目,参数估计性能在低信噪比及小快拍数据长度下优势明显。最后,仿真结果验证了本文理论分析的正确性和算法的有效性。     

米波MIMO雷达波束空间精确最大似然算法

针对阵元空间多输入多输出(multiple input multiple output, MIMO)雷达低仰角估计方法运算量和数据传输量太大的问题, 提出了基于波束空间的MIMO雷达精确最大似然(refined maximum likelihood, RML)算法。该算法将阵元空间的数据转换到波束空间, 实现降维处理, 再利用最大似然的思想对波束空间的数据进行测角。计算机仿真结果表明, 相比于基于阵元空间的MIMO雷达RML算法, 所提算法有着良好的测角性能, 并大大降低了算法运算时间。同时, 通过计算机仿真分析了信噪比、仰角、波束指向与目标仰角之间的偏差、阵元数、反射系数误差和天线中心高度等因素对所提算法测角性能的影响。     

MIMO雷达嵌套平行阵下基于子空间的目标二维波达角估计

研究了多输入多输出(multiple input multiple output, MIMO)雷达中的二维波达角(direction of arrival, DOA)估计问题,并提出了一种嵌套平行阵下基于子空间的二维DOA估计算法。利用存在嵌套关系的双平行阵(two parallel uniform linear array, TPULA)作为收发阵列,大大增加了自由度(degree of freedom, DOF)。在DOA估计方面,算法利用数据重构增加虚拟脉冲数,并利用酉变换降低运算复杂度,然后分别基于信号子空间和噪声子空间获得了自动配对的二维DOA估计的闭式解。算法复杂度低,而且相比MIMO雷达中传统TPULA下的算法,该算法拥有更好的角度估计性能,并可辨别空间相干目标。仿真结果验证了算法的有效性。     

一种基于估计理论的ISAR超分辨成像方法

针对逆合成孔径雷达(inverse synthetic aperture radar, ISAR)成像中给定合成孔径长度下方位向匹配滤波脉冲压缩输出的主瓣分辨率随雷达至等效阵列距离变化这一难题,基于线性系统理论,通过目标方位向回波信号的等效建模,提出了一种基于最小均方估计理论的超分辨成像方法。不同于传统基于谱估计的超分辨成像方法,该方法利用对目标系统方位向冲击响应的估计信号进行成像,因而能够完全消除雷达至等效阵列的距离对方位向分辨率的影响。仿真实验证实了该方法的有效性。