mimo雷达信号检测技术研究(附件)【字数：17525】
摘 要摘 要多输入多输出(Multiple input multiple output, MIMO)技术是未来无线通信领域中智能天线的关键技术之一，它采用多个发射天线和接收天线进行信号传输，能够在不需要加大带宽或者损耗总发送功率的情况下，大幅地增加系统的信道容量及传送距离，使得此项技术在近几年受到许多瞩目。MIMO的核心概念是利用发射端和接收端的天线所提供的分集数据，来有效提升无线通信系统的频谱效率，以提高传输速率并改善通信品质。MIMO雷达就是基于此发展起来的一种新概念雷达体制，有着广泛的应用前景。本文围绕MIMO雷达的信号检测展开，研究了MIMO雷达的原理及应用，建立起与研究相匹配的信道模型，还分析了核心技术下接收信号的处理流程。其次，比较了在MIMO系统下，迫零(Zero forcing , ZF)算法、最小均方误差(?Minimum mean-squared error, MMSE)算法，以及基于这两种算法的干扰消除的算法，并对这几种算法的检测性能进行了仿真实验。最后系统地研究了相控阵雷达、MIMO雷达的传输过程，比较了它们的共性与个性，着重介绍了MIMO雷达的突出特点。与此同时，还探讨了相控阵雷达和MIMO雷达的检测概率，并采用仿真的形式验证在多个脉冲信号累积下和不同的接受天线条件下的检测性能。关键词MIMO雷达；检测算法；相控阵雷达
目 录
第一章 绪论 1
1.1 MIMO雷达信号检测研究背景和意义 1
1.2 国内外的发展现状 2
1.2.1 国外研究现状 3
1.2.2 国内研究现状 4
1.3 本文的主要工作及内容安排 5
第二章 MIMO雷达检测原理 7
2.1 雷达收发分集性质 7
2.2 MIMO雷达信号处理过程 9
2.3 MIMO雷达信号模型 11
第三章 雷达信号在MIMO系统下的算法 14
3.1 线性算法 14
3.1.1 迫零(ZF)算法 14
3.1.2 最小均方误差(MMSE)算法 15
3.2 非线性算法 16
3.2.1 串行干扰消除(SIC)算法 16
3.2.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
最大似然(ML)算法 18
3.3 仿真结果以及分析 19
第四章 MIMO雷达检测性能 23
4.1 MIMO雷达最大似然函数 23
4.2 传统相控阵雷达和MIMO雷达 24
4.3 仿真结果以及分析 28
结 论 31
致 谢 32
参 考 文 献 33
第一章 绪论
1.1 MIMO雷达信号检测研究背景和意义
雷达通信系统是在发射端设置多个发射天线，发射信号照射到目标，照射后的回波信号在接收端由多个接收天线接收，最后再进行综合处理，获取目标在空间中的地理位置以及其运动情况等信息，这就是雷达在整个通信过程中的作用。但是，由于信号在传输过程中会产生多径效应，当信号通过多种路径到达接收端，而每个信号的频谱特性都不一样，所以在接收端处叠加在一起，情况也是多变的。如果接收的信号的相位相同，则信号的振幅增大，反之，如果相位不同，信号的振幅就会减弱。当发射端和接收端的天线间距在相当小的范围内变化，同时接收信号功率也产生急剧的变化，这种情况称之为信道的小尺度衰落。小尺度衰落也称快衰落，其包括多径效应和多普勒频移。这些因素都会导致雷达探测到信号上的困难。传统相控阵雷达技术在经过长久的发展，已经相对完善，要想找出其巨大的进步空间，是有点困难的。随着现在的研究方向越来越复杂化、精细化，传统的技术也越来越不能满足工程研究的需要，引进MIMO技术到雷达领域，是目前提高雷达信号传输的有效手段。
MIMO技术的核心是利用多天线来发射信号，经过传输后，再经过多天线来接收信号，以扩大MIMO信道的容量，提高整个雷达系统的通信质量[1]。它最大的优点就是提高信道的容量和信道的可靠性。由于多天线的发射端的能够发送多个空间信号，而对应的接收端同样有多个天线来接收这些信号，伴随着天线数目的增加，信道容量因此获得较大的增长空间。在不增加任何额外的带宽和功率，通过MIMO信道成功地将雷达通信的信道容量扩大了许多倍，相较于传统的信道传输而言，这就具有较大的优势。另外，检测性能的可靠性主要是因为MIMO信道的空间分集和复用思想带来的增益，使其在多天线的作用下能够有效地阻止信号在雷达信道衰减。天线的多路数据一起传输，能够有效地阻止信号在传输过程中的衰减以及出错的可能性，本课题研究的系统充分地利用了这一特性。所以它被许多学者和专家认为是以后无线通信的重点研究技术。
多输入多输出的技术是MIMO雷达的关键[2]，它能够克服目标闪烁的影响， 以求获取比传统相控阵雷达更好的性能。用更简单的方式解释，即MIMO雷达是一个具有多天线，多通道的新型的雷达体制，其多个通道通常采用不相干的处理方式，在接收端可以独立地处理信号，从而能够削弱目标变化带来的。
MIMO雷达是利用了MIMO通信技术中分集的概念，发射信号在传输过程中相互正交，经过目标发射后的信号依然是相互独立的，这就有别于传统的阵列雷达的概念[3]。此外，MIMO雷达系统多个天线的设置，能够使其在空间目标检测中获得更好的分辨增益，从而改善了检测分辨率低的缺点。另外，多输入多输出的雷达形式可以视作多个单天线的组合，由于每个天线得到的回波信号都不同，所以MIMO雷达综合看来是目标散射面积的总和，取其平均值，那么所得到的结果相对准确，因此使MIMO雷达比单个雷达在目标的检测方面具有良好的可靠性，因此这种体制的雷达类似一种合作的网络雷达。
MIMO雷达不仅在军事上应用广泛，比如军舰，飞机，卫星等为人所熟知的领域，在雷达涉及的众多的民用产品中，气象雷达就是一个典型的应用例子。尤其是当自然环境在遭受到了人类破坏之后，气象的预报和预测就显得尤为重要，因此MIMO雷达有效地预测天气，对人类的日常生活意义重大。比如说，天气雷达，它主要在毫米波和X，L波段进行目标的测量，其中对云雨进行探测的波段主要以毫米波为主。但是因为条件约束，单个毫米波雷达只能单一地去观测某一时刻云的水平垂直结构，这就会导致天气雷达的回波强度严重起伏，那么它的探测结果容易受到云目标的电磁散射闪烁的影响。而如果在毫米波测量中引进MIMO雷达的思想去检测云目标中，就可从多个角度同时探测到在某一时刻云的水平垂直结构，并且将多观测通道得到的数据平均，这避免了电磁散射闪烁云回波分析的影响，并获得更准确云的相关数据。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 MIMO雷达信号检测研究背景和意义 1
1.2 国内外的发展现状 2
1.2.1 国外研究现状 3
1.2.2 国内研究现状 4
1.3 本文的主要工作及内容安排 5
第二章 MIMO雷达检测原理 7
2.1 雷达收发分集性质 7
2.2 MIMO雷达信号处理过程 9
2.3 MIMO雷达信号模型 11
第三章 雷达信号在MIMO系统下的算法 14
3.1 线性算法 14
3.1.1 迫零(ZF)算法 14
3.1.2 最小均方误差(MMSE)算法 15
3.2 非线性算法 16
3.2.1 串行干扰消除(SIC)算法 16
3.2.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
最大似然(ML)算法 18
3.3 仿真结果以及分析 19
第四章 MIMO雷达检测性能 23
4.1 MIMO雷达最大似然函数 23
4.2 传统相控阵雷达和MIMO雷达 24
4.3 仿真结果以及分析 28
结 论 31
致 谢 32
参 考 文 献 33
第一章 绪论
1.1 MIMO雷达信号检测研究背景和意义
雷达通信系统是在发射端设置多个发射天线，发射信号照射到目标，照射后的回波信号在接收端由多个接收天线接收，最后再进行综合处理，获取目标在空间中的地理位置以及其运动情况等信息，这就是雷达在整个通信过程中的作用。但是，由于信号在传输过程中会产生多径效应，当信号通过多种路径到达接收端，而每个信号的频谱特性都不一样，所以在接收端处叠加在一起，情况也是多变的。如果接收的信号的相位相同，则信号的振幅增大，反之，如果相位不同，信号的振幅就会减弱。当发射端和接收端的天线间距在相当小的范围内变化，同时接收信号功率也产生急剧的变化，这种情况称之为信道的小尺度衰落。小尺度衰落也称快衰落，其包括多径效应和多普勒频移。这些因素都会导致雷达探测到信号上的困难。传统相控阵雷达技术在经过长久的发展，已经相对完善，要想找出其巨大的进步空间，是有点困难的。随着现在的研究方向越来越复杂化、精细化，传统的技术也越来越不能满足工程研究的需要，引进MIMO技术到雷达领域，是目前提高雷达信号传输的有效手段。
MIMO技术的核心是利用多天线来发射信号，经过传输后，再经过多天线来接收信号，以扩大MIMO信道的容量，提高整个雷达系统的通信质量[1]。它最大的优点就是提高信道的容量和信道的可靠性。由于多天线的发射端的能够发送多个空间信号，而对应的接收端同样有多个天线来接收这些信号，伴随着天线数目的增加，信道容量因此获得较大的增长空间。在不增加任何额外的带宽和功率，通过MIMO信道成功地将雷达通信的信道容量扩大了许多倍，相较于传统的信道传输而言，这就具有较大的优势。另外，检测性能的可靠性主要是因为MIMO信道的空间分集和复用思想带来的增益，使其在多天线的作用下能够有效地阻止信号在雷达信道衰减。天线的多路数据一起传输，能够有效地阻止信号在传输过程中的衰减以及出错的可能性，本课题研究的系统充分地利用了这一特性。所以它被许多学者和专家认为是以后无线通信的重点研究技术。
多输入多输出的技术是MIMO雷达的关键[2]，它能够克服目标闪烁的影响， 以求获取比传统相控阵雷达更好的性能。用更简单的方式解释，即MIMO雷达是一个具有多天线，多通道的新型的雷达体制，其多个通道通常采用不相干的处理方式，在接收端可以独立地处理信号，从而能够削弱目标变化带来的。
MIMO雷达是利用了MIMO通信技术中分集的概念，发射信号在传输过程中相互正交，经过目标发射后的信号依然是相互独立的，这就有别于传统的阵列雷达的概念[3]。此外，MIMO雷达系统多个天线的设置，能够使其在空间目标检测中获得更好的分辨增益，从而改善了检测分辨率低的缺点。另外，多输入多输出的雷达形式可以视作多个单天线的组合，由于每个天线得到的回波信号都不同，所以MIMO雷达综合看来是目标散射面积的总和，取其平均值，那么所得到的结果相对准确，因此使MIMO雷达比单个雷达在目标的检测方面具有良好的可靠性，因此这种体制的雷达类似一种合作的网络雷达。
MIMO雷达不仅在军事上应用广泛，比如军舰，飞机，卫星等为人所熟知的领域，在雷达涉及的众多的民用产品中，气象雷达就是一个典型的应用例子。尤其是当自然环境在遭受到了人类破坏之后，气象的预报和预测就显得尤为重要，因此MIMO雷达有效地预测天气，对人类的日常生活意义重大。比如说，天气雷达，它主要在毫米波和X，L波段进行目标的测量，其中对云雨进行探测的波段主要以毫米波为主。但是因为条件约束，单个毫米波雷达只能单一地去观测某一时刻云的水平垂直结构，这就会导致天气雷达的回波强度严重起伏，那么它的探测结果容易受到云目标的电磁散射闪烁的影响。而如果在毫米波测量中引进MIMO雷达的思想去检测云目标中，就可从多个角度同时探测到在某一时刻云的水平垂直结构，并且将多观测通道得到的数据平均，这避免了电磁散射闪烁云回波分析的影响，并获得更准确云的相关数据。
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