发射分集MIMO雷达波形设计及信号处理研究

摘要

相较于一般相控阵雷达，发射分集多输入多输出（Multiple Input Multiple Output, MIMO）雷达利用分集技术扩展出的发射自由度实现了工作方式的灵活调整。随着灵活度的提升，MIMO雷达对复杂多变应用环境的适应性显著增强。特别是近年来，将新变量如时间步进量、频率步进量等引入传统阵列构型的新型发射分集 MIMO雷达具有鲜明的特点。新型发射分集 MIMO雷达在传统空域、多普勒域自由度外扩展了新域自由度，为解决现有 MIMO雷达波形多普勒容性较差，设计复杂度较高；对主瓣内的真假目标缺乏区分能力等问题提供了新途径。论文围绕多种新型发射分集MIMO雷达，根据不同的任务需要与应用场景，针对波形设计和信号处理算法进行了研究，主要解决了循环编码阵列雷达发射方向图合成、慢时间距离像合成、空时耦合匹配滤波器设计以及频率分集（Frequency Diverse Array, FDA）-MIMO雷达无先验信息条件下欺骗式干扰抑制等问题。论文主要工作概括如下： 1.针对现有MIMO雷达基于波形优化的方向图设计方法运算复杂度高、恒包络特性难以保证等问题，提出一种扩展循环编码发射方向图合成方法实现了低运算量、恒包络的任意发射方向图设计。首先，通过对循环编码空-频二维谱的分析，得到循环编码阵列每个照射角度对应部分发射带宽的空-频耦合特性。利用该性质，发射方向图设计问题被转换为单一信号频谱规划问题。最后采用间隔的线性调频（Linear Frequency Modulation, LFM）信号实现方向图对应的频域规划，并通过阵列延迟发射得到所需要的扩展循环编码。与现有方法相比较，传统多路信号优化问题被化简为单个信号设计问题。并且由于设计波形基于LFM信号，其恒模性得以保证。 2.针对循环编码阵列距离分辨力损失问题，提出了一种循环编码与慢时间编码结合的发射多样性设计方法。该方法根据循环编码空-频耦合特性，改变脉冲间照射到同一角度的频段，但每个脉冲仍然保持全向的发射方向图，接收处理时，通过多脉冲频谱拼接合成得到较大的等效带宽从而解决循环编码所带来的距离分辨力下降问题。通过多维模糊函数分析可知，合成后的距离像与慢时间编码无关仅受发射信号性能影响。此外，针对慢时间编码技术，给出了相应的接收端处理流程以适应实际需求。与现有混合编码相比，循环编码与慢时间编码的结合在提高距离分辨力的同时实现了较低的距离旁瓣。 3.针对循环编码阵列现有接收匹配滤波器无法有效利用耦合在回波中的空域自由度进行杂波抑制的问题，提出一种循环编码的空时耦合匹配滤波器设计方法。通过约束目标距离-角度二维主瓣处的损失及距离主瓣空域干扰处的增益，建立单个脉冲下空时耦合匹配滤波器的非凸优化模型。经过一定的松弛得到二阶锥规划形式，并使用凸优化技术对该形式进行求解得到所需要的滤波器参数。随后，所设计空时耦合匹配滤波器与慢时间编码技术相结合，设计得到慢时间滤波器组，实现空域凹口的同时距离分辨力得到提升。与现有结合发射波束形成的匹配滤波器相比，空时耦合匹配滤波器对旁瓣内杂波干扰具有良好的抑制效果，并且能与发射方向图设计、慢时间距离像合成技术等结合，实现循环编码阵列雷达收发兼顾的综合设计与信号处理。 4.针对现有FDA-MIMO雷达自适应波束形成的抗欺骗式干扰方法在无干扰先验信息条件下性能严重下降的问题，提出一种FDA-MIMO雷达构型下的锥域检测器抗欺骗式干扰方法。利用频率分集所带来的距离维分辨力，假目标与真目标得以在距离-角度二维平面进行区分，特别是当假目标位于空域主瓣，传统雷达无法将它与真实目标区分，而FDA-MIMO雷达则仍能在距离维对它们进行区分。基于此性质，提出一种距离角度相关的检测器，该检测器在实现真实目标检测的同时对欺骗式干扰进行有效抑制。此外，通过改变频率步进量，本文给出了一种双脉冲检测策略进一步提高了干扰抑制性能。与传统自适应波束形成的抗干扰方法相比，本文方法无需任何干扰先验信息并且将检测与抗干扰处理合二为一，降低了雷达系统的信号处理的时间复杂度。

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