MIMO雷达相位编码信号集设计

摘要

多输入多输出（Multiple-Inpult Multiple-Output，MIMO）雷达具有多个发射天线和接收天线，按照天线之间距离的远近，通常将MIMO雷达分为分布式和集中式两类。分布式MIMO雷达的天线间距较大，具有空间分集增益，使雷达可以从不同角度对目标进行观测，从而对抗目标的闪烁效应，提高探测能力；集中式MIMO雷达的天线间距较小，每个天线可以独立地发射不同波形，能够实现灵活的波形分集，相比传统的相控阵雷达，集中式MIMO雷达可以提供更多的系统自由度，具有更高的分辨率以及更好的参数识别能力。本文以集中式MIMO雷达为研究对象，主要研究了其相位编码信号集的设计问题。研究内容包括利用GS算法设计MIMO雷达正交相位编码信号集、利用代数方法设计MIMO雷达正交相位编码信号集、基于Golay互补序列空时编码的MIMO雷达波形设计以及设计具有多普勒容忍性的完全互补序列。现将本文的主要研究内容概括如下：
　　1.研究了MIMO雷达正交相位编码信号集的优化设计问题。针对现有的MIMO雷达正交相位编码信号集设计算法所得信号集相关旁瓣较高的问题，提出了一种混合Gerchberg-Saxton（GS）算法。该算法由改进的GS算法和迭代码选择算法两个步骤组成。首先将最小化信号集相关旁瓣总能量的优化问题化简成低次的较容易求解的问题，然后将GS算法从一维扩展到多维，并针对极小化问题改进了其物面和频谱面的约束条件，利用改进后的GS算法求解该极小化问题。再针对基于信号集相关旁瓣峰值的代价函数，利用迭代码选择算法对第一步所得结果进一步优化，最后得到相关性能更好的正交信号集。仿真结果表明，该方法所设计的正交相位编码信号集的自相关旁瓣和互相关都较低，同时，优化所需的时间相比已有算法具有一定的优势。
　　2.针对正交相位编码信号集设计中数值优化方法计算量和存储量较大，效率较低的问题，提出了一种代数理论设计方法。首先利用逆归约相乘法确定能够产生序列族F的多项式，然后构造以该多项式为特征多项式的线性迭代方程，并利用线性移位寄存器进行求解来获得序列族，最后将该序列族映射为信号码集，从而完成信号集设计。仿真实验表明该方法所设计波形具有良好的非周期自相关和互相关性能，并且码集序列数量大，相比现有优化方法，产生码集的效率有较大提高，利于工程实现。
　　3.提出了一种基于Golay互补序列空时编码的MIMO雷达波形设计方法。通过对Golay互补序列构成的脉冲串进行空时编码来降低MIMO雷达各发射天线所发射波形之间的时域互相关，并利用Golay互补序列的互补性质减小自相关旁瓣，降低了波形脉冲压缩后的旁瓣；当目标运动时，会引入多普勒频移，从而导致所设计波形的相关性能变差，脉冲压缩性能严重下降，为此通过零空间向量加权法对脉冲压缩之后的波形进行多普勒补偿，显著降低了波形的旁瓣，有利于目标的检测和后续处理。仿真结果验证了所提方法的有效性。
　　4.针对完全互补序列的多普勒敏感性问题，提出了一种优化方法来设计具有多普勒容忍性的完全互补序列。通过引入一个辅助变量，将该设计问题建模成一个约束极小化问题，并通过序列二次规划算法对该极小化问题进行求解。在给定的多普勒移位范围内，所得完全互补序列的模糊函数旁瓣较低，并且分布非常均匀，并不随着多普勒移位的增加而变化，说明所设计的完全互补序列具有较好的多普勒容忍性。区别于已有方法，该设计方法不对完全互补序列的波形数、脉冲数和波形长度进行任何的限制，这使得该方法更加灵活。

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第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2研究历史与发展现状

1.3论文主要工作与内容安排

第二章 基于GS算法的MIMO雷达正交相位编码信号集设计

2.1引言

2.2正交相位编码信号集设计的问题描述

2.3基于GA和SQP的正交相位编码信号集设计

2.4基于GS算法的正交相位编码信号集设计

2.5本章小结

第三章 MIMO雷达正交相位编码信号集的代数方法设计

3.1引言

3.2问题描述

3.3代数方法构造正交码集

3.4仿真实验

3.5本章小结

第四章 基于Golay互补序列空时编码的MIMO雷达波形设计

4.1引言

4.2 MIMO雷达信号模型

4.3 Golay互补序列

4.4空时编码

4.5基于Golay互补序列空时编码的MIMO雷达波形设计

4.6仿真实验

4.7本章小结

第五章 具有多普勒容忍性的完全互补序列设计

5.1引言

5.2完全互补序列

5.3完全互补序列的多普勒容忍性问题

5.4 GPTM序列方法

5.5基于序列二次规划算法的完全互补序列设计

5.6本章小结

第六章 总结和展望

6.1论文内容总结

6.2研究展望

参考文献

致谢

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