时分复用mimo雷达的多普勒仿真技术研究
MIMO(多输入多输出)雷达是一种相对新的雷达概念且有很多的应用，并引起学者们的广泛关注。与常规体制雷达不同，MIMO雷达接收端和发射端均采用了多阵元天线，加之发射端波形分级，同时形成对目标的多个观测通道，从而有效地增加了雷达信息处理的自由度[]。由于MIMO雷达将雷达信号处理理论体系拓展到了高维情况，传统雷达可看做它的某种变化形式，这无疑为雷达信息处理新方法和新技术的研究以及信息处理理论的再认识提供了新的视角。因为大量采用收发组件，所以MIMO雷达系统十分复杂而且昂贵。时分复用MIMO雷达采用时分复用的方法，在一个收发组件基础上，实现MIMO雷达的大部分功能，有效地降低了MIMO雷达的成本，便于民用MIMO雷达的推广和应用。本课题在时分复用MIMO雷达的基础上，研究时分复用系统下，MIMO雷达的多普勒性能以及其他相关雷达性能指标。主要涉及的技术包括：雷达距离侦测，角度侦测，多普勒侦测以及雷达侦测结果成像的仿真研究。仿真平台：MATLAB。
目录
摘要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 2
1.1 论文的选题背景和意义 2
1.2 MIMO雷达的研究现状及发展 2
1.3 本文的主要工作及内容安排 3
第2章 雷达工作原理 4
2.1 雷达原理 4
2.2 雷达探测距离分辨率和方位角分辨率 5
2.3 雷达方程 7
第3章 时分复用MIMO雷达的多普勒效应 10
3.1 阵列天线 10
3.2 MIMO（多输入多输出）雷达 12
3.2.1 MIMO雷达系统 13
3.2.2 时分复用MIMO雷达的优势 14
3.3 多普勒效应及其在雷达中的应用 15
3.3.1 多普勒频移 16
第4章 时分复用MIMO雷达仿真 18
4.1 MIMO雷达仿真中的部分关键原理 18
4.1.1 距离侦测 18
4.1.2 角度侦测 20
4.2 时分复用MIMO雷达仿真 21
4.2.1 信号和脉冲生成 21
4.2.2
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
目标生成 22
4.2.3 混频器/低通滤波器 25
4.2.4 模数转换采样和数据存储 26
4.2.5 信号处理 26
4.2.6 数字波束形成 28
4.2.7 目标的距离多普勒成像 28
第5章 仿真程序设计及数据 30
5.1 仿真程序设计 30
5.2 仿真1：2个慢速移动的远距离目标 31
5.3 仿真2：一个快速移动的目标，一个慢速移动的目标 34
第6章 结论与未来工作展望 36
6.1 总结 36
6.2 未来工作展望 36
参考文献 37
致谢 39
附录 40
外文文献及翻译 40
绪论
1.1 论文的选题背景和意义
多输入多输出（MIMO）雷达是近年来新兴的一种技术，是一种新的雷达概念。MIMO雷达的发射端和接收端都采用了多阵元天线[]。据研究MIMO雷达系统使用多个正交发射波形和多接收相位中心以获得较高的空间分辨率。相比于传统的雷达系统，MIMO雷达在很多方面都展现出其优越性能，如目标侦测，定位精度和角度分辨率等方面。
因为MIMO雷达的多阵元天线，并且发射端波形分级，同时形成对目标的多个观测通道，雷达信息处理的自由度得到有效增加[]。由于MIMO雷达将雷达信号处理体系拓展到了高维情况，传统雷达则可看做它的某种变化形式，这无疑为雷达信息处理新方法和新技术的研究以及信息处理理论的再认识提供了新的视角。
1.2 MIMO雷达的研究现状及发展
多输入多输出（Multiinput Multioutput?; MIMO）是一种抽象的数学模型，主要是用来描述多天线无线通讯系统，能够利用发射端的多个天线独立发送信号，并且利用接收端的多个天线接收回波信号并且从中恢复原信息。1908年马可丁尼提出该技术，他利用多天线来抑制信道衰落[]。20世纪90年代中期，贝尔实验室的科学家G．J．Foschini首先将MIMO的概念引进了移动无线通讯系统，而且获得极大的成功。
本世纪初，MIMO概念开始扩展应用到雷达领域。在2003年至2004年的一些雷达会议上，与会学者们提出了MIMO雷达的概念，并且设立专题对相关理论问题进行讨论[]。
当前，世界上MIMO雷达的研究学派主要分为两派：一派的研究重点是分布式MIMO雷达，主要是以新泽西理工学院为代表；另一派则主要研究相参MIMO雷达，主要是以林肯实验室为代表。目前雷达界对分布式雷达的研究主要以理论研究为主，而相参雷达的研究已进入工程实现阶段，林肯实验室构造了L波段和X波段的MIMO雷达系统，并做了相关实验，验证了窄带多输入多输出雷达和宽带多输入多输出雷达的系统特性[]。
1.3 本文的主要工作及内容安排
因为大量使用收发组件，所以MIMO雷达系统十分复杂而且昂贵，时分复用MIMO雷达采用时分复用的方法，在一个收发组件的基础上，实现MIMO雷达的大部分功能。因为发射机和接收机数目的大幅度降低，MIMO雷达的成本得到了大幅度的降低，低成本便于民用MIMO雷达的推广与应用。
本课题在时分复用MIMO雷达的基础上，研究时分复用系统下，MIMO雷达的多普勒性能及其他相关雷达性能指标。主要涉及的技术包括：雷达距离侦测，角度侦测，多普勒侦测以及雷达侦测结果成像的仿真研究。仿真平台选用MATLAB。
主要内容安排：
2015年1月4日2015年1月23日：确定设计任务
2015年3月4日2015年3月31日：相关理论学习、外文资料翻译
2015年4月1日2015年5月31日： 各功能模块编码与整合、整体功能实现与测试
2015年6月1日2015年6月15日： 论文的修改与最终成型。
雷达工作原理
2.1 雷达原理
雷达是无线电探测和测距的简称[]。它借助电磁辐射和回波信号来检测目标并确定其距离，方向和角度。因不受天气和时间变化的影响，雷达可广泛应用在军事，航空导航，以及环境感知等领域。图2.1所示的是一个基本的雷达系统，它由一个发射机，一个接收机，天线数据记录器，处理器和信号显示器构成。一切始于由发射机到天线发射的高功率信号和天线指示信号输出。当被发射目标信号接触到目标后，回波信号被天线接收，数据记录器将会将其存储在磁盘上或者磁带上。在经过复杂的信号处理后，探测目标的相关信息将会被显示出来。
图2.1 基本雷达系统
目标位置可以由距离和方向来进行描述。目标的距离由信号自发射到返回的时间长度来进行测量。角度信息则由捕捉到的回波信号方向的定向天线来确定。而角度通常分为两部分：一是横向（方位）；二是垂直（仰角）。
2.2 雷达探测距离分辨率和方位角分辨率
雷达的距离分辨率指的是其在同一水平范围内对不同距离的目标进行区分的能力[]。它取决于发射脉冲宽度。公式（2.1）显示了它们之间的关系。
图2.2显示了雷达不能区分出两架飞机若它们之间的距离小于。若它们之间的距离大于，雷达则可以区分两个目标。
目录
摘要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 2
1.1 论文的选题背景和意义 2
1.2 MIMO雷达的研究现状及发展 2
1.3 本文的主要工作及内容安排 3
第2章 雷达工作原理 4
2.1 雷达原理 4
2.2 雷达探测距离分辨率和方位角分辨率 5
2.3 雷达方程 7
第3章 时分复用MIMO雷达的多普勒效应 10
3.1 阵列天线 10
3.2 MIMO（多输入多输出）雷达 12
3.2.1 MIMO雷达系统 13
3.2.2 时分复用MIMO雷达的优势 14
3.3 多普勒效应及其在雷达中的应用 15
3.3.1 多普勒频移 16
第4章 时分复用MIMO雷达仿真 18
4.1 MIMO雷达仿真中的部分关键原理 18
4.1.1 距离侦测 18
4.1.2 角度侦测 20
4.2 时分复用MIMO雷达仿真 21
4.2.1 信号和脉冲生成 21
4.2.2
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
目标生成 22
4.2.3 混频器/低通滤波器 25
4.2.4 模数转换采样和数据存储 26
4.2.5 信号处理 26
4.2.6 数字波束形成 28
4.2.7 目标的距离多普勒成像 28
第5章 仿真程序设计及数据 30
5.1 仿真程序设计 30
5.2 仿真1：2个慢速移动的远距离目标 31
5.3 仿真2：一个快速移动的目标，一个慢速移动的目标 34
第6章 结论与未来工作展望 36
6.1 总结 36
6.2 未来工作展望 36
参考文献 37
致谢 39
附录 40
外文文献及翻译 40
绪论
1.1 论文的选题背景和意义
多输入多输出（MIMO）雷达是近年来新兴的一种技术，是一种新的雷达概念。MIMO雷达的发射端和接收端都采用了多阵元天线[]。据研究MIMO雷达系统使用多个正交发射波形和多接收相位中心以获得较高的空间分辨率。相比于传统的雷达系统，MIMO雷达在很多方面都展现出其优越性能，如目标侦测，定位精度和角度分辨率等方面。
因为MIMO雷达的多阵元天线，并且发射端波形分级，同时形成对目标的多个观测通道，雷达信息处理的自由度得到有效增加[]。由于MIMO雷达将雷达信号处理体系拓展到了高维情况，传统雷达则可看做它的某种变化形式，这无疑为雷达信息处理新方法和新技术的研究以及信息处理理论的再认识提供了新的视角。
1.2 MIMO雷达的研究现状及发展
多输入多输出（Multiinput Multioutput?; MIMO）是一种抽象的数学模型，主要是用来描述多天线无线通讯系统，能够利用发射端的多个天线独立发送信号，并且利用接收端的多个天线接收回波信号并且从中恢复原信息。1908年马可丁尼提出该技术，他利用多天线来抑制信道衰落[]。20世纪90年代中期，贝尔实验室的科学家G．J．Foschini首先将MIMO的概念引进了移动无线通讯系统，而且获得极大的成功。
本世纪初，MIMO概念开始扩展应用到雷达领域。在2003年至2004年的一些雷达会议上，与会学者们提出了MIMO雷达的概念，并且设立专题对相关理论问题进行讨论[]。
当前，世界上MIMO雷达的研究学派主要分为两派：一派的研究重点是分布式MIMO雷达，主要是以新泽西理工学院为代表；另一派则主要研究相参MIMO雷达，主要是以林肯实验室为代表。目前雷达界对分布式雷达的研究主要以理论研究为主，而相参雷达的研究已进入工程实现阶段，林肯实验室构造了L波段和X波段的MIMO雷达系统，并做了相关实验，验证了窄带多输入多输出雷达和宽带多输入多输出雷达的系统特性[]。
1.3 本文的主要工作及内容安排
因为大量使用收发组件，所以MIMO雷达系统十分复杂而且昂贵，时分复用MIMO雷达采用时分复用的方法，在一个收发组件的基础上，实现MIMO雷达的大部分功能。因为发射机和接收机数目的大幅度降低，MIMO雷达的成本得到了大幅度的降低，低成本便于民用MIMO雷达的推广与应用。
本课题在时分复用MIMO雷达的基础上，研究时分复用系统下，MIMO雷达的多普勒性能及其他相关雷达性能指标。主要涉及的技术包括：雷达距离侦测，角度侦测，多普勒侦测以及雷达侦测结果成像的仿真研究。仿真平台选用MATLAB。
主要内容安排：
2015年1月4日2015年1月23日：确定设计任务
2015年3月4日2015年3月31日：相关理论学习、外文资料翻译
2015年4月1日2015年5月31日： 各功能模块编码与整合、整体功能实现与测试
2015年6月1日2015年6月15日： 论文的修改与最终成型。
雷达工作原理
2.1 雷达原理
雷达是无线电探测和测距的简称[]。它借助电磁辐射和回波信号来检测目标并确定其距离，方向和角度。因不受天气和时间变化的影响，雷达可广泛应用在军事，航空导航，以及环境感知等领域。图2.1所示的是一个基本的雷达系统，它由一个发射机，一个接收机，天线数据记录器，处理器和信号显示器构成。一切始于由发射机到天线发射的高功率信号和天线指示信号输出。当被发射目标信号接触到目标后，回波信号被天线接收，数据记录器将会将其存储在磁盘上或者磁带上。在经过复杂的信号处理后，探测目标的相关信息将会被显示出来。
图2.1 基本雷达系统
目标位置可以由距离和方向来进行描述。目标的距离由信号自发射到返回的时间长度来进行测量。角度信息则由捕捉到的回波信号方向的定向天线来确定。而角度通常分为两部分：一是横向（方位）；二是垂直（仰角）。
2.2 雷达探测距离分辨率和方位角分辨率
雷达的距离分辨率指的是其在同一水平范围内对不同距离的目标进行区分的能力[]。它取决于发射脉冲宽度。公式（2.1）显示了它们之间的关系。
图2.2显示了雷达不能区分出两架飞机若它们之间的距离小于。若它们之间的距离大于，雷达则可以区分两个目标。
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