【摘 要】
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目标参数估计是雷达系统应用的重要问题。MIMO（Multiple Input Multiple Output）雷达在发射端和接收端利用阵列天线结构,并通过发射多个正交波形可实现高分辨的目标参数估计,因此受到广泛关注,成为雷达系统设计和研究的热点。MIMO雷达本质上是传统相控阵雷达的一种推广,其利用波形分集以较少阵元实现等效的大规模虚拟阵列,从而提高目标方向估计的精度。然而相控阵雷达无法实现距离-方
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目标参数估计是雷达系统应用的重要问题。MIMO（Multiple Input Multiple Output）雷达在发射端和接收端利用阵列天线结构,并通过发射多个正交波形可实现高分辨的目标参数估计,因此受到广泛关注,成为雷达系统设计和研究的热点。MIMO雷达本质上是传统相控阵雷达的一种推广,其利用波形分集以较少阵元实现等效的大规模虚拟阵列,从而提高目标方向估计的精度。然而相控阵雷达无法实现距离-方位相关的方向图,限制了MIMO雷达分辨同方位不同距离单元目标的能力。频控阵（Frequency Diverse Array,FDA）通过在发射信号上增加一个与阵元位置相关的频率增量,可实现距离-方位相关的方位图,具有可分辨同方位不同距离单元目标的能力。这些优点使得频控阵成为近年来阵列雷达研究的热点。将频控阵应用于MIMO雷达,则称为频控阵MIMO（Frequency Diverse ArrayMultiple Input Multiple Output,FDA-MIMO）雷达。在FDA-MIMO雷达中,发射阵通过发射多个正交且载频间存在频率增量的信号,可等效实现大规模的虚拟频控阵,从而实现高精度的距离-方位估计。然而频控阵也增加了FDA-MIMO雷达信号处理的复杂度。如何利用频控阵的特点有效实现FDA-MIMO雷达距离-方位联合估计或者距离-方位-速度联合估计对FDA-MIMO雷达应用具有重要意义。本文针对FDA-MIMO雷达目标参数估计问题开展研究,提出了FDA-MIMO雷达距离-方位联合估计方法和FDA-MIMO雷达距离-方位-速度联合估计方法,并通过理论分析和仿真实验分析了FDA-MIMO雷达参数估计的性能。论文主要贡献如下:（1）提出基于二维原子范数的FDA-MIMO雷达距离-方位联合估计算法。该算法利用FDA-MIMO雷达观测信号的结构特点,定义二维原子范数,并将距离方位联合估计问题转变为低秩矩阵重构问题进行求解。该方法避免了稀疏重构问题中的参数离散化问题,提高了参数估计的准确度。仿真实验表明该方法可有效实现FDA-MIMO雷达距离-方位的高精度联合估计。（2）理论分析了FDA-MIMO雷达距离-方位联合估计的克拉美罗下界（Cramér-Rao Lower Bound,CRLB）。本文推导了FDA-MIMO雷达距离-方位联合估计的CRLB,建立了参数估计性能与发射信号频率增量的关系。在此基础上,还提出了基于CRLB的发射信号频率增量优化方法。（3）针对运动目标模型,提出了两种FDA-MIMO雷达距离-方位-速度联合估计方法。一种是基于二维原子范数切片的距离-方位-速度联合估计方法,其思想是将三维参数估计问题分解为多个二维参数估计问题,然后通过配对算法实现三维参数估计。另一种则是基于张量的距离-方位-速度联合估计方法,采用平行因子算法直接求解三维参数估计问题。仿真实验分析和验证了上述算法的有效性和估计性能。
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