基于壓縮感知的 mimo 雷達參數(shù)估計研究

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1、基于壓縮感知的MIMO雷達參數(shù)估計研究第一章緒論1.1研究背景及意義MIMO(Multi-InputMulti-Output)雷達[1-17]是本世紀初發(fā)展起來的一種新型雷達體制，一經(jīng)提出就引起了國內(nèi)外許多研究者和基金委的重視，成為了雷達領域最近十年內(nèi)的熱點問題，雖然美國、英國、澳大利亞等科研強國已經(jīng)建成了MIMO雷達試驗系統(tǒng)，但是大多數(shù)的與之相關(guān)工作還處在理論研究階段。本文試圖從系統(tǒng)的參數(shù)估計出發(fā)，旨在為MIMO雷達的實用化進程提供一些理論依據(jù)和技術(shù)支持。眾所周知，雷達目標參數(shù)估計是雷達探測識別的重要手段。MIMO雷達作為新興的雷達體制，強大的參數(shù)識別能力是其系統(tǒng)優(yōu)勢之一，不同類型的

2、MIMO雷達在參數(shù)識別性能優(yōu)勢表現(xiàn)上不同。與傳統(tǒng)雷達一樣，MIMO雷達目標參數(shù)主要有：目標的方位、速度以及距離等，對于特定數(shù)據(jù)的參數(shù)估計其關(guān)鍵技術(shù)在于空間譜估計方法的采用。有效自由度隨信道的增加而增加是MIMO雷達在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在上對參數(shù)估計性能有潛在的巨大優(yōu)勢的本質(zhì)原因。良好的參數(shù)估計性能主要取決于系統(tǒng)設計所能帶來的有效信息量以及信號處理算法，而前者是基礎，因此本課題將適用于目標參數(shù)估計的MIMO雷達系統(tǒng)設計作為主要研究內(nèi)容。這也是現(xiàn)階段MIMO理論研究領域較為薄弱的環(huán)節(jié)，然而MIMO雷達真正的實用化的推進系統(tǒng)設計的研究將是前提。同時必須注意到系統(tǒng)設計的優(yōu)化通常以所需達到的性能要求為指南

3、，因此系統(tǒng)設計的準則是良好的參數(shù)估計性能。隨著新軍事變革的推進，戰(zhàn)爭形態(tài)由機械化向信息化的演變速度也越來越快?？v觀近些年的幾場局部戰(zhàn)爭，世界軍事強國在信息化條件下的作戰(zhàn)能力日趨成熟，信息化戰(zhàn)場上的復雜電磁環(huán)境是一個基本特征。在復雜電磁環(huán)境下，信息的獲取就意味著海量數(shù)據(jù)的處理，此外，MIMO雷達系統(tǒng)中，隨著傳感器的增加，后端信號處理的數(shù)據(jù)量也相應增多，而且，目標在空間劃分域中是稀疏的，所以，基于壓縮感知(pressvieSensing，簡稱CS)方法[18-30]的MIMO雷達參數(shù)估計將會有優(yōu)勢。......1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1974年Mehra將多輸入多輸出（Multiple-Inp

4、utMultiple-Output，MIMO）的思想引進了控制系統(tǒng)，以增加參數(shù)估計的性能[32]。MIMO思想上個世紀90年代被引入通信系統(tǒng)領域[33]，之后便得到了廣泛應用和飛速發(fā)展。MIMO雷達理論就是在這個基礎上應運而生，由美國貝爾實驗室的Fishler[34]和麻省理工學院林肯實驗室的Rabideau[35]等提出后，引起了很多研究機構(gòu)和研究者的關(guān)注，近幾年，出現(xiàn)了許多高水平的研究成果。比如，在2009年舉辦的第四屆國際波形分集與波形設計會議（4thInternationalIMO雷達小組對其前景進行探討[36]；又如，2010年2月在IEEE匯刊IEEEJournalofSe

5、lectedTopicsinSignalProcessing期刊上開設了一個?？疘ntroductiontotheIssueonMIMORadarandItsApplications，涵蓋了很多MIMO雷達研究領域的代表性成果[37]，等等。根據(jù)不同的分類標準MIMO雷達可以分成不同的類型。在此著重探討學術(shù)界廣泛采用的分類方式：根據(jù)天線的配置距離與信號處理方式來劃分MIMO雷達的類型。根據(jù)天線的遠近，可將MIMO雷達分為相干型MIMO雷達（CoherentMIMOradar）[39]和統(tǒng)計型MIMO雷達（StatisticMIMOradar或者SeparatedMIMOradar）[3

6、8]兩大類。此遠近是一個相對值，由于MIMO雷達中收發(fā)天線的分置可以認為一組收發(fā)天線相當于一部雙站雷達系統(tǒng)，而一組收發(fā)天線間形成一條發(fā)射信號的信道，一般而言，如果單個陣元之間的間距較大，各信道之間將互不相關(guān)（即其相關(guān)系數(shù)幾乎為0），可以認為此時MIMO雷達系統(tǒng)工作于近場情形，該MIMO雷達系統(tǒng)稱為統(tǒng)計型MIMO雷達系統(tǒng)；如果各陣元之間間距與發(fā)射信號的波長可以比擬，各信道之間的相關(guān)性比較強(其相關(guān)系數(shù)接近于1)，可以認為此時MIMO雷達系統(tǒng)工作于遠場情形，此時稱為相干型MIMO雷達。相干型MIMO雷達可進一步分為單站MIMO雷達（ColocatedMIMOradar）和雙站MIMO雷達（

7、BistaticMIMOradar）。由于其相干性要求，單站MIMO雷達的所有收發(fā)陣元緊湊配置，而雙站MIMO雷達的發(fā)、收天線分別緊湊配置，并且各收發(fā)陣元對滿足雙站雷達的條件。容易得知，統(tǒng)計性MIMO雷達和相干型MIMO雷達是兩個極端情形，更多的實際情形處于上述兩個的混合情況，稱為混合型MIMO雷達（HybridMIMOradar）[40]。圖1.1表明了MIMO雷達幾何拓撲結(jié)構(gòu)與其分類的關(guān)系，圖中，左邊是統(tǒng)計型MIMO雷達，反射陣元和接收陣元