非理想环境下MIMO雷达角度估计算法研究

摘要

多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)雷达是结合了无线通信系统中多输入多输出技术的一种新体制雷达，具有低截获率、多自由度和高测角精度等优势。在MIMO雷达中，空间信号到达方向估计（Direction-of-Arrival，DOA）是雷达信号处理的重要内容。由于实际复杂工作环境中噪声统计特性未知，同时装配工艺和元件老化等因素会带来阵列校准误差，所以基于理想环境的传统DOA算法往往无法准确估计目标角度甚至估计失败，影响MIMO雷达探测能力。因此，研究非理想环境下的MIMO雷达角度估计算法具有重要的理论意义和工程价值。 本文针对非理想环境下的MIMO雷达角度估计问题，从非均匀噪声环境和存在阵列校准误差两个方面展开，分析以上两种因素对传统角度估计算法的影响并给出相应的解决方法，具体包括以下内容: 首先，总结了国内外非均匀噪声和阵列校准误差条件下的DOA算法研究现状，介绍了阵列天线模型与基本假设，建立了理想环境下MIMO雷达信号模型，分析了雷达接收信号的统计特性。在此基础上，分别分析了基于空间谱搜索和基于旋转不变子空间的传统角度估计算法，并进行了仿真实验。 然后，研究了非均匀噪声环境下的MIMO雷达角度估计算法。建立了该环境下MIMO雷达阵列信号模型，分别给出了简化协方差矩阵算法和迭代最小二乘算法。为满足对目标高精度探测的需求，以提高目标角度估计精度为目标，提出一种基于矩阵补全的酉求根MUSIC算法，有效改善了非均匀噪声环境下的角度估计性能，理论分析和仿真结果验证了所提方法的有效性。 最后，研究了存在阵列校准误差条件下的MIMO雷达角度估计算法。建立了该环境下的MIMO雷达阵列信号模型，利用接收信号的多维特性，结合张量的结构信息，研究了基于张量子空间部分校准阵列的单基地MIMO雷达角度估计算法，去除了冗余虚拟阵元的同时有效提高了角度估计性能，并给出了仿真验证;进一步的，针对同时存在非均匀噪声和阵列校准误差的问题，给出了基于迭代最大似然估计的类ESPRIT算法，实现了上述两种非理想环境同时存在情况下的目标角度估计，显著提高了低信噪比条件下的角度估计精度，并进行了仿真分析。