机载双基地MIMO雷达波形设计与空时自适应处理研究

【摘要】近年来，双基地多输入多输出(MIMO)雷达受到了研究学者以及工程人员越来越多的关注。双基地MIMO雷达系统既有双基地雷达探测隐身目标、隐蔽侦查等特点，同时又能够获得MIMO技术带来的通道数目和自由度倍增等优势。双基地MIMO雷达通过对接收数据的处理，可同时获得目标相对于发射阵列和接收阵列的角度。机载双基地MIMO雷达利用上述优点能显著提高雷达的杂波抑制能力、目标检测性能和参数估计精度。本文针对双基地MIMO雷达的杂波特性、波形设计以及空时自适应处理(STAP,Space-TimeAdaptiveProcessing)等问题进行了研究，主要工作包括以下几方面：1．发射波形的自相关和互相关会对MIMO雷达产生严重的影响，然而要设计具有理想相关性的波形是非常困难的。针对这一问题，提出了双基地MIMO雷达波形解相关算法，该算法可以在接收端消除发射波形相关性对双基地MIMO雷达的影响。首先推导了双地基MIMO雷达波形相关性信号模型，并设计了基于直接矩阵求逆(DMI)的波形解相关滤波器。在此基础上，为了降低噪声的影响，设计了基于最小均方误差(MMSE)准则的波形解相关滤波器。此外，针对以上两种解相关滤波器计算复杂度较大的问题，提出了一种基于泰勒多项式扩展的发射波形解相关算法。该方法能够有效降低DMI和MMSE两种解相关滤波器的计算复杂度，并且具有良好的收敛性能。最后，以双基地MIMO雷达收发角度联合估计为例，对波形解相关方法的性能进行了仿真与分析。结果表明，该算法可以有效消除发射波形相关性对双基地MIMO雷达产生的影响。2．传统双基地相控阵雷达杂波抑制采用空时二维联合处理，需要对距离依赖杂波进行补偿。把MIMO技术引入机载双基地雷达中，可通过对接收数据的处理同时获得目标相对于发射阵列和接收阵列的角度，实现空时三维自适应处理（3D-STAP）。首先分析了双基地MIMO雷达三维杂波谱特性，当发射天线和接收天线都是正侧视时，所有距离门的杂波聚集在同一个三维平面上。此时，只要目标径向速度不为零，目标就不会位于杂波所在平面，因此通过构建3D-STAP滤波器在杂波平面处形成凹口即可实现双基地雷达距离依赖杂波抑制。在此基础上，提出了基于三维多通道联合处理（3D-mDT）和三维局域化联合处理（3D-JDL）的降维3D-STAP方法，以降低雷达地面杂波抑制的计算复杂度和对独立同分布杂波样本数的需求。仿真结果与分析表明，利用3D-mDT和3D-JDL方法可以有效提高双基地MIMO雷达在小样本情况下的距离依赖杂波抑制性能。3．针对地面杂波抑制问题，提出了机载正侧视双基地MIMO雷达多普勒分集复用(DDMA)波形设计方法。首先分析了DDMA波形的工作原理，并推导了基于DDMA波形的双基地MIMO-STAP信号模型。DDMA波形通过对每一个发射孔径自由度分配不同的慢时间线性编码，实现在多普勒域的正交波形设计。此外，为了恢复发射自由度，推导了基于DDMA波形的双基地MIMO雷达多普勒后处理信号模型。在此基础上，提出了基于DDMA波形的双基地MIMO雷达3D-STAP方法。由于正侧视双基地MIMO雷达所有杂波分布在同一平面上，因此通过选择合适的归一化频率偏置和脉冲重复频率(PRF)，就可以保证每个发射孔径自由度对应的被搬移的杂波平面可以分得足够开而不至于混叠。仿真分析表明DDMA波形能够在机载正侧视双基地MIMO雷达中获得良好的杂波抑制性能。4．针对3D-STAP巨大的运算量和对样本数的需求，提出了基于三维投影的机载正侧视双基地MIMO雷达杂波抑制方法。在正侧视情况下，利用杂波共面特性，选择合适的投影方向可使投影后的杂波脊在新的二维坐标系下变为一条直线，从而消除杂波的距离依赖性。在此基础上，针对三维投影矩阵维数较大、实现困难这一问题，提出了一种基于虚拟发射波束形成的三维投影矩阵近似拟合方法。此外，为了提高杂波抑制性能，还提出了两种虚拟发射权的设计方法。第一种方法以输出信干噪比（SINR）为代价函数对虚拟发射权进行优化；第二种方法利用空时插值原理推导了虚拟发射权的闭式解。仿真分析表明，利用优化和设计得到的虚拟发射权可以有效拟合三维投影矩阵，实现距离依赖杂波抑制。三维投影方法可以在保留双基地雷达特点的同时，将正侧视双基地MIMO雷达杂波谱变换为正侧视单基地相控阵雷达杂波谱，有效降低了机载双基地MIMO-STAP的计算复杂度和对样本数的需求。
【作者】党博；
【导师】廖桂生；
【作者基本信息】西安电子科技大学，信号与信息处理，2013，博士
【关键词】多输入多输出(MIMO)；双基地雷达；波形设计；空时自适应处理(STAP)；杂波距离依赖性；多普勒分集复用(DDMA)；

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