时分复用mimo雷达系统
摘 要 多输入多输出（MIMO）雷达是一种比较新的雷达概念，能应用于很多领域，近些年来备受关注，MIMO雷达可以分为两种类型，即统计MIMO雷达系统和相参MIMO雷达系统。一种有明确的潜在应用被定义的MIMO雷达是有M阵元发射阵列（M个发射器），N阵元接收阵列（N个接收器）的相干MIMO雷达系统。本文对基于单个收发器（一个发射器和一个接收器）的时分复用（TDM）多输入多输出（MIMO）雷达系统的关键技术进行了研究。首先，对TDM-MIMO雷达系统进行理论分析，MIMO它可以同时发射和接收多组信号，相比于传统的雷达，能够获得更高的角分辨率和更高的空间分辨率，但是成本高，TDM-MIMO雷达只需要一个发射机和一个接收机，成本和复杂性大大减小，同时保持较好的性能，具有高的距离分辨率和角分辨率。 其次，对TDM-MIMO雷达系统性能进行仿真数值模拟，检测距离、角度分辨率等是衡量MIMO雷达的关键参数指标，仿真表明脉冲波雷达和连续波雷达对角分辨率没有影响，经过MN个脉冲后的TDM-MIMO雷达与传统MIMO雷达的目标波达方向（DOA）性能一样,但是TDM-MIMO雷达的角分辨率性能优于传统MIMO雷达。 然后，对TDM-MIMO雷达系统进行实验验证，TDM-MIMO雷达可以准确的检测目标的距离，能够分辨角度间隔较近的两个目标，而相同配置的SIMO雷达无法区分这两个目标。 最后，数值分析和实验结果都表明，相比于使用相同具有单向或双向波束形成阵列的常规MIMO雷达，TDM-MIMO雷达可以以较低的成本实现高角分辨率。
目录
摘 要 I
Abstract II
目录 III
第一章 绪论 1
1.1课题研究的主要背景和意义 1
1.2 MIMO雷达的研究现状和趋势 2
1.2.1国外研究现状 2
1.2.2国内研究现状 3
1.2.3最新发展趋势 4
1.3课题研究内容及研究技术路线图 4
1.3.1课题研究内容 4
1.3.2研究技术路线图 5
1.4论文结构安排 5
第二章 时分复用MIMO雷达目标检测模型及参数分析 7
2.1 时分复用MIMO雷达概念
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
7
2.2 时分复用MIMO雷达系统结构 7
2.3 时分复用MIMO雷达信号模型 9
2.3.1发射信号 9
2.3.2接收信号 11
2.3.3信号模型分析 11
2.3.4等效虚拟阵列 13
2.4 时分复用MIMO雷达波束成形及数学推导 14
2.5 时分复用MIMO雷达距离检测性能 15
2.6 时分复用MIMO雷达角度检测性能 17
2.7 时分复用MIMO雷达最大不模糊距离判别 18
2.8本章小结 19
第三章 时分复用MIMO雷达目标检测实验模型 20
3.1 时分复用MIMO雷达实验模型 20
3.2 时分复用MIMO雷达实验模型构造 21
3.2.1天线阵列 21
3.2.2喇叭天线 21
3.2.3矢量网络分析仪 22
3.3 时分复用MIMO雷达实验误差校准方法 24
3.4 时分复用MIMO雷达实验检测流程 25
3.4.1校准网络分析仪 26
3.4.2收集环境数据 26
3.4.3收集单个目标数据 27
3.4.4收集两个目标数据 27
3.5本章小结 27
第四章 时分复用MIMO雷达目标检测仿真及实验分析 28
4.1时分复用MIMO雷达目标检测仿真 28
4.1.1距离检测性能仿真 28
4.1.2角度检测性能仿真 29
4.2时分复用MIMO雷达目标检测实验结果 31
4.2.1距离检测实验结果 31
4.2.2角度检测实验结果 32
4.3时分复用MIMO雷达目标检测结果分析 32
4.4本章小结 33
第五章 总结与展望 34
5.1总结 34
5.2展望 34
参考文献 35
致谢 40
附录 41
外文文献 41
中文翻译 53
第一章 绪论
1.1课题研究的主要背景和意义
本课题主要研究时分复用多输入多输出雷达检测目标性能，包括目标波达方向、距离、距离精度和角分辨率的测量。
雷达，原意为“无线电探测和测距”，通俗的讲就是用电磁波发现目标并且确定目标的准确位置。因此，雷达也被称为“无线电定位”。1936年1月英国罗伯特沃特森瓦特在索夫克海岸架起了英国第一个雷达站，其后英国空军又增设了五个，能有效的侦测德军飞机，在第二次世界大战中发挥着重要的作用，雷达应用于军事，给军事领域带来了巨大的挑战。为了破除雷达的侦测，反雷达侦查技术也得到了快速的发展，如反辐射导弹、隐形飞机等，这些技术的出现又给雷达技术提出了新的挑战，这又促使了优于传统雷达的新体制雷达出现，如：相控阵雷达、双（多）基地雷达、MIMO雷达等 [1]。
雷达目标在不同的方向都有散射信号，雷达的接收信号是多个路径信号的混叠，与通信系统中多径传播导致的角度扩展相似；雷达目标在方向或姿态上细小的变化会导致雷达回波的严重起伏，与通信系统中多径传输导致的信道衰落相似。这都会严重影响雷达的性能，而将MIMO技术引入雷达领域，是近几年提出的一种全新的雷达体制[2][11]。MIMO雷达具有M阵元发射阵列（M个发射器）和N阵元接收阵列（N个接收器），利用目标截面统计特性，在多接受阵元的情况下可以看成近似不变的，就可以提高目标的检测性能。由于MIMO雷达可以同时产生/发送M个正交发送波形和接收/处理的N个接收的回波信号，利用波形分集技术产生成倍的虚拟阵元[12][13]，等效于增大了接收机的阵列孔径，相比于传统的雷达，能够??获得更高的角分辨率和更高的空间分辨率。但是对于这种类型的MIMO雷达系统，也需要大量的发射器和接收器，从而在实际应用中用这种MIMO雷达系统要耗费较高的成本，特别是民用。
本课题研究的基于单一的收发器的时分复用MIMO雷达系统，将所需的发射器和接收器由N + M个降低至2个，大大减少MIMO雷达的复杂性和成本，同时保持较好的性能，获得比常规MIMO雷达系统的角分辨率更好的承受能力。
1.2 MIMO雷达的研究现状和趋势
早在1974年Mehra就将MIMO的概念应用于控制系统，来增强参数估计的性能[14]。随后在20世纪90年代初，MIMO思想进入了通信传输系统的领域[15]，并获得了飞速发展和广泛的应用。由于MIMO理论在通信领域取得巨大成功，在21世纪初, 费希尔等学者在IEEE雷达会议上正式提出MIMO雷达的概念[3], MIMO雷达的概念被提出来后，就在雷达界被广泛的研究，主要的研究方向有：一是MIMO雷达的波形设计[16][24]；二是MIMO雷达的检测性能分析[25][28]；三是MIMO雷达自适应波束处理 [29][32]；四是MIMO雷达成像技术研究[33][36]；五是MIMO雷达的多目标参数估计[37][42]。
1.2.1国外研究现状
自林肯实验室研究MIMO雷达后，后面陆续提出了多发设计和正交波形的雷达（MIMO雷达），MIMO雷达在接收杂波功率、接收机的动态范围、相位噪声等方面有很大的优势，目前国外对MIMO雷达的研究主要分两派：一派是以新泽西理工学院为代表的研究队伍，主要研究分布式MIMO雷达[3]；一派是以林肯实验室为代表的研究队伍，主要研究相参MIMO雷达[43]。如图1.1所示。
目录
摘 要 I
Abstract II
目录 III
第一章 绪论 1
1.1课题研究的主要背景和意义 1
1.2 MIMO雷达的研究现状和趋势 2
1.2.1国外研究现状 2
1.2.2国内研究现状 3
1.2.3最新发展趋势 4
1.3课题研究内容及研究技术路线图 4
1.3.1课题研究内容 4
1.3.2研究技术路线图 5
1.4论文结构安排 5
第二章 时分复用MIMO雷达目标检测模型及参数分析 7
2.1 时分复用MIMO雷达概念
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
7
2.2 时分复用MIMO雷达系统结构 7
2.3 时分复用MIMO雷达信号模型 9
2.3.1发射信号 9
2.3.2接收信号 11
2.3.3信号模型分析 11
2.3.4等效虚拟阵列 13
2.4 时分复用MIMO雷达波束成形及数学推导 14
2.5 时分复用MIMO雷达距离检测性能 15
2.6 时分复用MIMO雷达角度检测性能 17
2.7 时分复用MIMO雷达最大不模糊距离判别 18
2.8本章小结 19
第三章 时分复用MIMO雷达目标检测实验模型 20
3.1 时分复用MIMO雷达实验模型 20
3.2 时分复用MIMO雷达实验模型构造 21
3.2.1天线阵列 21
3.2.2喇叭天线 21
3.2.3矢量网络分析仪 22
3.3 时分复用MIMO雷达实验误差校准方法 24
3.4 时分复用MIMO雷达实验检测流程 25
3.4.1校准网络分析仪 26
3.4.2收集环境数据 26
3.4.3收集单个目标数据 27
3.4.4收集两个目标数据 27
3.5本章小结 27
第四章 时分复用MIMO雷达目标检测仿真及实验分析 28
4.1时分复用MIMO雷达目标检测仿真 28
4.1.1距离检测性能仿真 28
4.1.2角度检测性能仿真 29
4.2时分复用MIMO雷达目标检测实验结果 31
4.2.1距离检测实验结果 31
4.2.2角度检测实验结果 32
4.3时分复用MIMO雷达目标检测结果分析 32
4.4本章小结 33
第五章 总结与展望 34
5.1总结 34
5.2展望 34
参考文献 35
致谢 40
附录 41
外文文献 41
中文翻译 53
第一章 绪论
1.1课题研究的主要背景和意义
本课题主要研究时分复用多输入多输出雷达检测目标性能，包括目标波达方向、距离、距离精度和角分辨率的测量。
雷达，原意为“无线电探测和测距”，通俗的讲就是用电磁波发现目标并且确定目标的准确位置。因此，雷达也被称为“无线电定位”。1936年1月英国罗伯特沃特森瓦特在索夫克海岸架起了英国第一个雷达站，其后英国空军又增设了五个，能有效的侦测德军飞机，在第二次世界大战中发挥着重要的作用，雷达应用于军事，给军事领域带来了巨大的挑战。为了破除雷达的侦测，反雷达侦查技术也得到了快速的发展，如反辐射导弹、隐形飞机等，这些技术的出现又给雷达技术提出了新的挑战，这又促使了优于传统雷达的新体制雷达出现，如：相控阵雷达、双（多）基地雷达、MIMO雷达等 [1]。
雷达目标在不同的方向都有散射信号，雷达的接收信号是多个路径信号的混叠，与通信系统中多径传播导致的角度扩展相似；雷达目标在方向或姿态上细小的变化会导致雷达回波的严重起伏，与通信系统中多径传输导致的信道衰落相似。这都会严重影响雷达的性能，而将MIMO技术引入雷达领域，是近几年提出的一种全新的雷达体制[2][11]。MIMO雷达具有M阵元发射阵列（M个发射器）和N阵元接收阵列（N个接收器），利用目标截面统计特性，在多接受阵元的情况下可以看成近似不变的，就可以提高目标的检测性能。由于MIMO雷达可以同时产生/发送M个正交发送波形和接收/处理的N个接收的回波信号，利用波形分集技术产生成倍的虚拟阵元[12][13]，等效于增大了接收机的阵列孔径，相比于传统的雷达，能够??获得更高的角分辨率和更高的空间分辨率。但是对于这种类型的MIMO雷达系统，也需要大量的发射器和接收器，从而在实际应用中用这种MIMO雷达系统要耗费较高的成本，特别是民用。
本课题研究的基于单一的收发器的时分复用MIMO雷达系统，将所需的发射器和接收器由N + M个降低至2个，大大减少MIMO雷达的复杂性和成本，同时保持较好的性能，获得比常规MIMO雷达系统的角分辨率更好的承受能力。
1.2 MIMO雷达的研究现状和趋势
早在1974年Mehra就将MIMO的概念应用于控制系统，来增强参数估计的性能[14]。随后在20世纪90年代初，MIMO思想进入了通信传输系统的领域[15]，并获得了飞速发展和广泛的应用。由于MIMO理论在通信领域取得巨大成功，在21世纪初, 费希尔等学者在IEEE雷达会议上正式提出MIMO雷达的概念[3], MIMO雷达的概念被提出来后，就在雷达界被广泛的研究，主要的研究方向有：一是MIMO雷达的波形设计[16][24]；二是MIMO雷达的检测性能分析[25][28]；三是MIMO雷达自适应波束处理 [29][32]；四是MIMO雷达成像技术研究[33][36]；五是MIMO雷达的多目标参数估计[37][42]。
1.2.1国外研究现状
自林肯实验室研究MIMO雷达后，后面陆续提出了多发设计和正交波形的雷达（MIMO雷达），MIMO雷达在接收杂波功率、接收机的动态范围、相位噪声等方面有很大的优势，目前国外对MIMO雷达的研究主要分两派：一派是以新泽西理工学院为代表的研究队伍，主要研究分布式MIMO雷达[3]；一派是以林肯实验室为代表的研究队伍，主要研究相参MIMO雷达[43]。如图1.1所示。
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