MIMO雷达正交波形设计及信号处理研究

传统相控阵雷达通常存在许多不足之处,如在探测弱目标时容易被敌方截获,强杂波背景下对动态范围的要求过大,动目标显示(MTI)和动目标检测(MTD)要求系统有很高的频率稳定度、相位噪声和系统杂散等。应用数字波束形成(DBF)技术能解其中部分问题。应用DBF后,模数转换(A/D)在阵列的每个阵元中完成,因此可以减小对A/D动态范围的需求。DBF也有利于形成接收数字多波束,加快搜索速率,但其体制决定了无法形成真正的同时发射数字多波束,因为DBF系统仍然像模拟波束形成(ABF)系统一样,在一个时刻只能照射一个窄的区域,在给定时刻也只执行单一的功能(搜索或跟踪)。 将多输入多输出(MIMO)技术应用于雷达系统能很好地解决上述问题。在发射端,MIMO雷达的阵元(或子阵)全向发射相互正交的波形,回波信号为所有信号的延迟和;在接收端,用匹配滤波器组来分离回波信号中的各发射分量,然后通过DBF技术来形成接收波束和等效发射波束。MIMO雷达体制带来了一些性能的改善,如可提高雷达抗截获性能,提高杂波背景中探测低速目标的能力,改善强杂波背景中检测弱目标的能力等。 由于MIMO雷达发射相互正交的波形,因此正交波形设计是MIMO雷达实现的关键问题。本文主要对MIMO雷达信号处理及正交波形设计进行研究,主要研究内容如下: 1.研究和分析了MIMO雷达基本原理及特点,在对MIMO雷达原理进行研究的基础上,对MIMO雷达相对于传统相控阵雷达的一些优点进行了分析。 2.对MIMO雷达信号处理进行了系统研究。首先建立了MIMO雷达信号模型,然后研究了多信号匹配滤波的实现及后续数字多波束形成技术。并且全面分析了匹配滤波及多波束形成的不同实现顺序对计算复杂度的影响,然后提出了改进的实现方法。 3.研究了正交线性调频(LFM)信号的产生方法及性能。对正交LFM信号的模糊函数及互模糊函数进行了研究;分析了其互相关峰出现的位置及大小,提出了相应的设计准则和参数关系;对LFM的MIMO雷达信号处理及宽带分辨性能进行了研究;最后对设计的信号进行了MIMO雷达系统仿真。 4.研究了正交多相编码信号的设计方法。提出了正交多相编码信号的设计准则及优化方法,将遗传算法(GA)应用于正交多相编码波形的优化设计,并提出了基于模糊函数的改进设计准则;对设计的多相码的性能及模糊函数进行了分析研究,并将设计的多相码应用于MIMO雷达系统进行仿真研究。 5.对正交离散频率编码波形(DFCW)的设计和性能进行了研究。在对DFCW的模糊函数及互模糊函数进行研究的基础上,对DFCW的相关属性及多普勒性能进行了分析,提出了DFCW的设计准则及优化设计方法,并将修改的GA应用于DFCW的优化设计。 6.构建了MIMO雷达仿真实验平台,研究了MIMO雷达的性能及MIMO雷达相对于传统相控阵雷达的特点。研究了MIMO雷达的信号处理算法,并对MIMO雷达系统的实现技术进行了仿真。