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1、1 1MIMO 雷达西安电子科技大学雷达信号处理重点实验室2007. 102 2雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室I. 引言i）空域信号处理（检测、参数估计和滤波）的发展早期雷达 单输入单输出（SISO）单脉冲雷达 单输入双输出（SIBO）相控阵雷达 单输入多输出（SIMO）发射多样性雷达 多输入多输出（MIMO）3 3雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室两类 MIMO 雷达a）空间稀布阵（多视角） 目标回波 RCS 不同b）伪单站 多个收、发阵元到目标射线近似平行（远场条件）窄带信号 阵元间包络时延可忽略本报告只讨论 b.（伪单站）发射信号多样性 中心频率相同0f信号带宽相
2、同，但波形不同（不同编码）4 4有源相控阵用一系列 T/R 组件，但发射信号相干波形多样性 一般用编码信号、正交信号雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室nsiMfjfj tenenn01022)1(+=ssstMfjn tMfj teenn01022 1)2(+=sss? =tHMiittsE12)2()2(|ss= = 11112122111211?tttMMMMNnH snnN ssRMIMO功率相关矩阵相控阵目 标 处 信 号码元序列发射阵元序列t,1,2,Mi?=, 2 , 1Nn?=阵元阵元阵元 到目标的时延ii（）5 5雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室 ii）预
3、备知识a）单接收与自发自收单接收sin2d=自发自收sin22d=（孔径长度加倍L2L）d实际阵列合成阵列接收单程L88. 0收发双程L64. 0L44. 0自发自收6 6雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室b）等效相位中心发 收 EPCsin2dsin2dd3发、3 收等效相位中心 （自发自收）相当于单收7 7雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室c）到达波方向（DOA）估计多个信号要多次信号 非相干（如目标多普勒不同）如为相干信号，用（对均匀线阵，子阵平移，倒置）MIMO 对同样接收阵列，发射相位中心改变 12MrTfjfjrMee, 1 )()(2)(2010=?awaas
4、+=)()(22118 8雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室问题： a）相对于相控阵雷达，空间能量分散。（对搜索雷达，延长了驻留时间）如对单目标作“烧穿”工作，不合适。b）对外来有源干扰，等效相位中心不成立（仍为原接收阵列）。c）可获得多个非相干回波（发射相位中心变）（用于自适应处理）iii）MIMO 雷达的优点和问题优点：a）自由度 （可辨识度，空域滤波特性）b）阵列孔径（空间分辨率）9 9雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室), 1( tMii?=Nnnsi,1, ?=), 1( rMjj?=Nnnyj,1, ?=NnnnselH tiMifjt li, 1 )()( )
5、(1)(20?= =sa目标 l 处的信号Tfjfj tltMlee,)()(2)(2010?=aT Mnsnsn t,1?=sII信号模型发射信号接收阵元接收信号发射阵元 12M31010雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室l目标回波反射系数为NnnlH tl,1, )(?=sa第j 个接收阵元的信号为Nnnyj, 1 ?=)( )(20nwnenyjlH tlfj jlj+=sa接收阵列回波向量T Mnynyn r, 1?=y接收阵列流形Tfjfj rlrMlee,)()(2)(2010?=a则其回波为)()( 1*nnnlH tLllrlwsaay+=T Mnwnwn r,1?=
6、w1ny2nyny rM12Mr1111如收发共用雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室trMM =+)()(2)()(2)()(2)()(2)(2)(2)(2)(201010110010010,)()()(tMrMtMrMtMrMfjfjfjfjfjfjfjfjT treeeeeeee?aaA 发射1的接收阵列流形)( 1nnnLlllwsAy+=2) 1( 222+=+MMMM),(在已知，估计ny而等效天线相位中心（含重复）为rMM 1（接收信号数）trMM nyj为第 j 个接收阵元中tM个信号组合NMr有个数据ny1212雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室对正交信号组
7、11 =NnH jjnsnNy从接收阵列输出中分离出第 j 个发射回波向量tMj, 1?=检测、参数估计或滤波 =Nn 1 =Nn 11rM =Nn 1 =Nn 111tN11* 1nsN trMM1nynyrM综合发射方向图 （可多个）1*nsNtM1* 1nsN1*nsNtM1313雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室,1tME?=trMM 维vswV= =1ec1nnNHLlNnnNH=1ss)(Vec)(AdN=)()()(VectrtaaA=kronecker积 kronecker积=+= + = + = =LlllHLlLlllHHLlllMNnH MnnNNnnNnnNn
8、nNtt111rt1111)( 1Vec)(Vec 1MM 1Vec1)(Vec 1Vec,VecvdswAswssAsy?1414雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室如果发射信号组非正交，则相关矩阵ns 11nnNHNnssssR =另找正交基U=HU为的特征矢量与特征值U、ssR21nnHsUs=ns代替前面的用ns各分量在U 的正交量上的投影求nsMtUUUU，?,21=Mt0000000021?1515雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室. MIMO方向图与自由度 =+=LlllMr11)(),(Vecvd?)()()(Vec)(rtNNaaAd= kronecker积
9、 kronecker积1616雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室等效相位中心举列（a）4=rtMM（a）共 ULA2=d有效相位数1+rtMM（b）4=rtMMULA2 ,2=trdd有效相位中心数rtMM （c）MMMrt=收、发共位)()(TAA=2) 1( 222MMMM+=+1717雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室 .空间滤波特性举例MIMO与相控阵比较 （a）ULA ,10=MMMrt2=d L=12 ULA 5 . 2, 5;2, 5=dMdMrr L=16（b）ULA2=dM=10（收、发共用），等功率。MIMO相控阵 更多的等效相位中心，可形成空间滤波特性
10、好的方向图，用GMTI1818.自适应波束形成参数估计雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室),(）不依赖数据傅氏谱、最小二乘（LS）谱）基于数据自适应谱（Capon, APES）1919雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室）LS 谱2*,)()()()()(minarg)(,(FH trnnsaay=)()()()()( )()()()(tr)()()()()(*2*nnnnntrT rtHHFtrsaayaasysaay=对求导，并令其为零，得：)(*)()()()()()()()( 2LStssH trtHT r NnnaRaaasya=有干扰时性能差不依赖数据 分辨率差、
11、旁瓣高。2020雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室）自适应估计分两步：b）再估计 LS 谱a）Capon 法主要针对外部干扰，所以权只对接收阵列作自适应wRw wyyHmin 1* 1)(=rM rHCw aw对得rrMM yyNnH yy ryyT rryyCnnN= =RyyRaRaaRw1*1*1capon)()(1)()()(得 Capon 波束形成)()()(*11ryyT ryyT rHnnaRayRayw =a）用 Capon 法（或 APES 法）求权（用一次回波数据，有 N个样本, 个线性独立信号）tM2121雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室对 MIMO
12、 雷达)()()()(*nnnH trwsaay+=即)()()()()(11ryyT ryyT rH tHnnnaRawRasayw +=对上式求 LS 谱)()()()()()( *11CapontssH tryyT rtH yyT r NnnaRaaRaasyRa =2222雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室b）APES（幅相联合估计）)()(min ,nnH tHsayw w 1)(*=rHaw对)()()()()()( *11APEStssH trT rtHT r NnnaRaaQaasyQa =其中)()()()(2tssH tHT rtHyyNnnnn aRaysaas
13、yRQ=2323雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室c）波束形成举列),(MIMO 雷达zdMMMrt= ULA, 10（收发共用）目标 L=3 QPSK 序列N=2561 , 4 , 410 ,25 ,40321321 =?强干扰（波形与信号不相关）)dB60(1000 0 22=?SNR=10dB2424雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室结果Capon 法 分辨高（定位准），幅度估计APES 法 分辨稍低，幅度估计CAPES 两者联合以上诸法对强干扰（60dB）不能完全抑制。将各方向输出与波形比较（用广义最大似然比检验，GLRT），其 GLR 为)()()()(1)(GLR*1*rT rrssT r aQaaRa=2525雷达信号处理重点实验室雷达信号处理重点实验室 Adaptive MIMO Radar（a）LS（b）Cap（c）APES（d）GLR（e）CAPES
