基于壓縮感知的 mimo 雷達(dá)參數(shù)估計(jì)研究

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1、基于壓縮感知的MIMO雷達(dá)參數(shù)估計(jì)研究第一章緒論1.1研究背景及意義MIMO(Multi-InputMulti-Output)雷達(dá)[1-17]是本世紀(jì)初發(fā)展起來的一種新型雷達(dá)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(dá)領(lǐng)域最近十年內(nèi)的熱點(diǎn)問題，雖然美國、英國、澳大利亞等科研強(qiáng)國已經(jīng)建成了MIMO雷達(dá)試驗(yàn)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(jì)出發(fā)，旨在為MIMO雷達(dá)的實(shí)用化進(jìn)程提供一些理論依據(jù)和技術(shù)支持。眾所周知，雷達(dá)目標(biāo)參數(shù)估計(jì)是雷達(dá)探測(cè)識(shí)別的重要手段。MIMO雷達(dá)作為新興的雷達(dá)體制，強(qiáng)大的參數(shù)識(shí)別能力是其系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)之一，不同類型的

2、MIMO雷達(dá)在參數(shù)識(shí)別性能優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)上不同。與傳統(tǒng)雷達(dá)一樣，MIMO雷達(dá)目標(biāo)參數(shù)主要有：目標(biāo)的方位、速度以及距離等，對(duì)于特定數(shù)據(jù)的參數(shù)估計(jì)其關(guān)鍵技術(shù)在于空間譜估計(jì)方法的采用。有效自由度隨信道的增加而增加是MIMO雷達(dá)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在上對(duì)參數(shù)估計(jì)性能有潛在的巨大優(yōu)勢(shì)的本質(zhì)原因。良好的參數(shù)估計(jì)性能主要取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)所能帶來的有效信息量以及信號(hào)處理算法，而前者是基礎(chǔ)，因此本課題將適用于目標(biāo)參數(shù)估計(jì)的MIMO雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)作為主要研究?jī)?nèi)容。這也是現(xiàn)階段MIMO理論研究領(lǐng)域較為薄弱的環(huán)節(jié)，然而MIMO雷達(dá)真正的實(shí)用化的推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究將是前提。同時(shí)必須注意到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化通常以所需達(dá)到的性能要求為指南

3、，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則是良好的參數(shù)估計(jì)性能。隨著新軍事變革的推進(jìn)，戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)由機(jī)械化向信息化的演變速度也越來越快?？v觀近些年的幾場(chǎng)局部戰(zhàn)爭(zhēng)，世界軍事強(qiáng)國在信息化條件下的作戰(zhàn)能力日趨成熟，信息化戰(zhàn)場(chǎng)上的復(fù)雜電磁環(huán)境是一個(gè)基本特征。在復(fù)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(dá)系統(tǒng)中，隨著傳感器的增加，后端信號(hào)處理的數(shù)據(jù)量也相應(yīng)增多，而且，目標(biāo)在空間劃分域中是稀疏的，所以，基于壓縮感知(pressvieSensing，簡(jiǎn)稱CS)方法[18-30]的MIMO雷達(dá)參數(shù)估計(jì)將會(huì)有優(yōu)勢(shì)。......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(jìn)了控制系統(tǒng)，以增加參數(shù)估計(jì)的性能[32]。MIMO思想上個(gè)世紀(jì)90年代被引入通信系統(tǒng)領(lǐng)域[33]，之后便得到了廣泛應(yīng)用和飛速發(fā)展。MIMO雷達(dá)理論就是在這個(gè)基礎(chǔ)上應(yīng)運(yùn)而生，由美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的Fishler[34]和麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的Rabideau[35]等提出后，引起了很多研究機(jī)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(shè)計(jì)會(huì)議（4thInternationalIMO雷達(dá)小組對(duì)其前景進(jìn)行探討[36]；又如，2010年2月在IEEE匯刊IEEEJournalofSe

5、lectedTopicsinSignalProcessing期刊上開設(shè)了一個(gè)?？疘ntroductiontotheIssueonMIMORadarandItsApplications，涵蓋了很多MIMO雷達(dá)研究領(lǐng)域的代表性成果[37]，等等。根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)MIMO雷達(dá)可以分成不同的類型。在此著重探討學(xué)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(hào)處理方式來劃分MIMO雷達(dá)的類型。根據(jù)天線的遠(yuǎn)近，可將MIMO雷達(dá)分為相干型MIMO雷達(dá)（CoherentMIMOradar）[39]和統(tǒng)計(jì)型MIMO雷達(dá)（StatisticMIMOradar或者SeparatedMIMOradar）[3

6、8]兩大類。此遠(yuǎn)近是一個(gè)相對(duì)值，由于MIMO雷達(dá)中收發(fā)天線的分置可以認(rèn)為一組收發(fā)天線相當(dāng)于一部雙站雷達(dá)系統(tǒng)，而一組收發(fā)天線間形成一條發(fā)射信號(hào)的信道，一般而言，如果單個(gè)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(rèn)為此時(shí)MIMO雷達(dá)系統(tǒng)工作于近場(chǎng)情形，該MIMO雷達(dá)系統(tǒng)稱為統(tǒng)計(jì)型MIMO雷達(dá)系統(tǒng)；如果各陣元之間間距與發(fā)射信號(hào)的波長(zhǎng)可以比擬，各信道之間的相關(guān)性比較強(qiáng)(其相關(guān)系數(shù)接近于1)，可以認(rèn)為此時(shí)MIMO雷達(dá)系統(tǒng)工作于遠(yuǎn)場(chǎng)情形，此時(shí)稱為相干型MIMO雷達(dá)。相干型MIMO雷達(dá)可進(jìn)一步分為單站MIMO雷達(dá)（ColocatedMIMOradar）和雙站MIMO雷達(dá)（

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