十字阵列的mimo雷达系统及关键技术研究
随着科技的发展，雷达目前已经被运用到军事、遥感、空中交通管制、飞机安全与导航、舰船安全以及空间当中。可以想象，雷达在未来的生活中将扮演着越来越重要的作用。如何改进雷达的性能是一项非常重要的研究课题，因此，具有更少天线和更高角度分辨率的雷达阵列值得研究。本文提出了一个基于方位和俯仰相结合的十字阵列MIMO波束形成，相比一个的矩形平面阵列的单向或双向波束，所需要的阵列单元数将从减少到个，在极大地降低系统成本的同时，提高了角度分辨率。与基于方位和俯仰相结合的单向和双向波束的的十字阵列相比，本文提出的带有4个发射天线的MIMO十字阵列将实现更高的角度分辨率。这种基于方位和俯仰相结合的MIMO十字阵列的波束是为数字波束形成而设计的，目的是准确的探测单个目标或者是在不同距离的多个目标（只有在距离检测处理之后才能将多个目标分离开来），并且它能极大地减少天线单元的个数和其他射频元器件。论文工作是在理论分析、软件仿真和硬件实验相结合的基础上展开的，首先对阵列天线、MIMO雷达工作原理、数字波束形成等进行了详细论述；然后通过软件仿真，验证了均匀线阵的阵列方向图与波长、阵元间距、阵元个数之间的关系。同时，通过仿真将本文提出的MIMO十字阵列的波束与其他阵列模型的波束进行了对比；最后分别对多目标进行了DOA估计。通过仿真和硬件实验相结合的形式，进一步验证了本文提出的十字阵列的MIMO雷达系统具有更高的角分辨率，提升了雷达的性能。
目录
摘要 I
Abstract II
目录 IV
第一章 绪论 1
1.1MIMO雷达系统的研究背景及现状 1
1.2课题研究的意义 2
1.3课题研究的主要内容 2
第二章 MIMO雷达系统及关键技术相关理论 4
2.1阵列天线及其主要参数 4
2.2阵列天线相关参数的数学推导 5
2.3天线方向图及方向图相乘原理 8
2.3.1天线方向图 8
2.3.2天线方向图相乘原理 9
2.4雷达目标检测关键技术 10
2.4.1 MIMO雷达工作原理 10
2.4.2雷达到目标的距离 12
2.4.3雷达的分辨
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力 12
2.4.4雷达的最大非模糊距离 13
2.5数字波束形成 13
第三章 十字阵列的MIMO雷达系统的仿真 15
3.1 MIMO十字阵列的构成 15
3.2阵列方向图影响因素的matlab仿真 16
3.3 MIMO十字阵列波束形成及多目标探测性能仿真分析 18
3.4 十字阵列的MIMO雷达系统角分辨率性能仿真分析 24
第四章 实验设计 26
4.1 实验硬件基础 26
4.1.1矢量网络分析仪 27
4.1.2喇叭天线 28
4.2实验校准 28
4.3实验设计及测量 29
4.4实验结果分析 33
第五章 课题总结与展望 35
5.1总结和回顾 35
5.2存在的不足 35
5.3课题的展望 35
致 谢 37
参考文献 39
附录 44
外文文献 44
中文文献 54
第一章 绪论
1.1MIMO雷达系统的研究背景及现状
MIMO(Multiple Input Multiple Output)的概念最早源于控制理论。上世纪90年代中期， MIMO的概念被引入无线移动通信系统，并获得了成功。随后MIMO技术引起了雷达界的关注，开始了MIMO雷达的研究。MIMO雷达是一种新体制雷达[110]，具有多个发射天线和多个接收天线，它采用多个天线同时发射线性独立波形，并使用多个天线同时接收目标回波信号，通过对回波信号进行综合处理，从而提取出目标的所在位置和运动状态等信息。MIMO雷达与普通雷达相比，可以获得较高的空间分辨率[1114]，最早开始MIMO雷达研究的是美国麻省理工学院的林肯实验室，MIMO雷达的概念被提出以后，得到了美国政府的充分重视与资助，很多有关MIMO雷达的论文很快被发表。目前，对雷达的研究主要分为两派：一派是研究分布式雷达[3]，其典型代表为新泽西理工学院的研究队伍。另一派是研究相参式雷达[19][20]，其典型代表是林肯实验室的研究队伍。所谓分布式雷达，是指天线之间的间距很大，天线在空间分布广泛的雷达。对于分布式MIMO雷达来说，多个发射天线从不同的角度照射目标，由于目标的RCS闪烁[21]，可能会对某个发射天线的回波信号产生巨大的影响，甚至是剧烈的震荡，但是由于MIMO雷达采用多个天线同时接收回波信号，通过对多个回波信号的综合处理，使得回波信号的信噪比趋于稳定，从而克服目标的RCS闪烁，提升了雷达的检测性能。相参式MIMO雷达的天线分布则与分布式MIMO雷达的天线分布相反，阵元之间的间距较小，天线在空间分布紧凑。由于阵元之间的间距较小，为了减小天线之间由于相距太近引起的直杂波的干扰，发射天线发射相互正交的信号。发射的正交信号产生低增益的宽波束，在接收端通过DBF（Digital Beam Forming）可以得到高增益的窄波束。相参式MIMO雷达中，收发天线可以共用一个阵列，也可以使用独立的两个阵列，可以形成单基地雷达，也可以形成双基地雷达。目前，MIMO雷达的主要研究方向为：一是MIMO雷达的波形设计[22][23][24],雷达波形对测量精度、分辨率及模糊函数[25]的影响，优化波形可以提高目标的检测能力和信息提取能力[26]；二是MIMO雷达的检测性能分析[27][28][29][30],包括虚警和检测概率；三是MIMO雷达自适应波束处理[27][28][29][30]；四是MIMO雷达成像技术研究[31][32][33][34]；五是MIMO雷达的多目标参数估计[3540]。
1.2课题研究的意义
众所周知，天线有诸多用途，比如空间滤波器，干扰抑制，增益提高和目标跟踪等。因此，研究雷达的天线阵列是改进雷达性能的一项非常重大的研究方向。和线性阵列相比，平面阵列被广泛的运用在实际的雷达系统的DBF中，因为它能够实现波束在方位和俯仰方向上的结合。然而，在雷达系统的DBF中，平面阵列含有更多的天线单元，这不仅增加了雷达生产的费用，还会产生不可预知的复杂性。因此，具有更少天线和更高角度分辨率的天线阵列值得研究。利用合理高效的布阵方式，最大程度的减少天线单元的个数，同时提高DOA估计的精确度[21][41]。本文采用个天线形成的虚拟平面阵列，大大提高了天线的使用效率。同时，相比一般的十字阵列的雷达系统而言，本文提出的基于十字阵列的MIMO雷达系统采用的新的布阵方式，效率更高，提高了DOA估计的准确度和精确度，在减轻材料使用的同时，极大的节约了成本。
1.3课题研究的主要内容
(1)理论学习和相关知识研究。系统学习MIMO雷达的工作原理、阵列方向图相乘原理、空间分集技术、DBF算法，DOA估计以及现代雷达的研究要点、研究方向，深入探究阵元个数、阵列天线排阵间距、波长与天线方向图的关系以及如何实现最为精确的DOA估计。
(2)软件的设计与完善。以尽量提高DOA估计的精确度为目标，通过不断完善和优化，尽量减小波束主瓣宽度，提高角度分辨率，然后通过仿真验证本文提出的观点。
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摘要 I
Abstract II
目录 IV
第一章 绪论 1
1.1MIMO雷达系统的研究背景及现状 1
1.2课题研究的意义 2
1.3课题研究的主要内容 2
第二章 MIMO雷达系统及关键技术相关理论 4
2.1阵列天线及其主要参数 4
2.2阵列天线相关参数的数学推导 5
2.3天线方向图及方向图相乘原理 8
2.3.1天线方向图 8
2.3.2天线方向图相乘原理 9
2.4雷达目标检测关键技术 10
2.4.1 MIMO雷达工作原理 10
2.4.2雷达到目标的距离 12
2.4.3雷达的分辨
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
力 12
2.4.4雷达的最大非模糊距离 13
2.5数字波束形成 13
第三章 十字阵列的MIMO雷达系统的仿真 15
3.1 MIMO十字阵列的构成 15
3.2阵列方向图影响因素的matlab仿真 16
3.3 MIMO十字阵列波束形成及多目标探测性能仿真分析 18
3.4 十字阵列的MIMO雷达系统角分辨率性能仿真分析 24
第四章 实验设计 26
4.1 实验硬件基础 26
4.1.1矢量网络分析仪 27
4.1.2喇叭天线 28
4.2实验校准 28
4.3实验设计及测量 29
4.4实验结果分析 33
第五章 课题总结与展望 35
5.1总结和回顾 35
5.2存在的不足 35
5.3课题的展望 35
致 谢 37
参考文献 39
附录 44
外文文献 44
中文文献 54
第一章 绪论
1.1MIMO雷达系统的研究背景及现状
MIMO(Multiple Input Multiple Output)的概念最早源于控制理论。上世纪90年代中期， MIMO的概念被引入无线移动通信系统，并获得了成功。随后MIMO技术引起了雷达界的关注，开始了MIMO雷达的研究。MIMO雷达是一种新体制雷达[110]，具有多个发射天线和多个接收天线，它采用多个天线同时发射线性独立波形，并使用多个天线同时接收目标回波信号，通过对回波信号进行综合处理，从而提取出目标的所在位置和运动状态等信息。MIMO雷达与普通雷达相比，可以获得较高的空间分辨率[1114]，最早开始MIMO雷达研究的是美国麻省理工学院的林肯实验室，MIMO雷达的概念被提出以后，得到了美国政府的充分重视与资助，很多有关MIMO雷达的论文很快被发表。目前，对雷达的研究主要分为两派：一派是研究分布式雷达[3]，其典型代表为新泽西理工学院的研究队伍。另一派是研究相参式雷达[19][20]，其典型代表是林肯实验室的研究队伍。所谓分布式雷达，是指天线之间的间距很大，天线在空间分布广泛的雷达。对于分布式MIMO雷达来说，多个发射天线从不同的角度照射目标，由于目标的RCS闪烁[21]，可能会对某个发射天线的回波信号产生巨大的影响，甚至是剧烈的震荡，但是由于MIMO雷达采用多个天线同时接收回波信号，通过对多个回波信号的综合处理，使得回波信号的信噪比趋于稳定，从而克服目标的RCS闪烁，提升了雷达的检测性能。相参式MIMO雷达的天线分布则与分布式MIMO雷达的天线分布相反，阵元之间的间距较小，天线在空间分布紧凑。由于阵元之间的间距较小，为了减小天线之间由于相距太近引起的直杂波的干扰，发射天线发射相互正交的信号。发射的正交信号产生低增益的宽波束，在接收端通过DBF（Digital Beam Forming）可以得到高增益的窄波束。相参式MIMO雷达中，收发天线可以共用一个阵列，也可以使用独立的两个阵列，可以形成单基地雷达，也可以形成双基地雷达。目前，MIMO雷达的主要研究方向为：一是MIMO雷达的波形设计[22][23][24],雷达波形对测量精度、分辨率及模糊函数[25]的影响，优化波形可以提高目标的检测能力和信息提取能力[26]；二是MIMO雷达的检测性能分析[27][28][29][30],包括虚警和检测概率；三是MIMO雷达自适应波束处理[27][28][29][30]；四是MIMO雷达成像技术研究[31][32][33][34]；五是MIMO雷达的多目标参数估计[3540]。
1.2课题研究的意义
众所周知，天线有诸多用途，比如空间滤波器，干扰抑制，增益提高和目标跟踪等。因此，研究雷达的天线阵列是改进雷达性能的一项非常重大的研究方向。和线性阵列相比，平面阵列被广泛的运用在实际的雷达系统的DBF中，因为它能够实现波束在方位和俯仰方向上的结合。然而，在雷达系统的DBF中，平面阵列含有更多的天线单元，这不仅增加了雷达生产的费用，还会产生不可预知的复杂性。因此，具有更少天线和更高角度分辨率的天线阵列值得研究。利用合理高效的布阵方式，最大程度的减少天线单元的个数，同时提高DOA估计的精确度[21][41]。本文采用个天线形成的虚拟平面阵列，大大提高了天线的使用效率。同时，相比一般的十字阵列的雷达系统而言，本文提出的基于十字阵列的MIMO雷达系统采用的新的布阵方式，效率更高，提高了DOA估计的准确度和精确度，在减轻材料使用的同时，极大的节约了成本。
1.3课题研究的主要内容
(1)理论学习和相关知识研究。系统学习MIMO雷达的工作原理、阵列方向图相乘原理、空间分集技术、DBF算法，DOA估计以及现代雷达的研究要点、研究方向，深入探究阵元个数、阵列天线排阵间距、波长与天线方向图的关系以及如何实现最为精确的DOA估计。
(2)软件的设计与完善。以尽量提高DOA估计的精确度为目标，通过不断完善和优化，尽量减小波束主瓣宽度，提高角度分辨率，然后通过仿真验证本文提出的观点。
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