MIMO Radar Waveform Optimization With Prior Information of the Extended Target and Clutter

The concept of multiple-input multiple-output (MIMO) radar allows each transmitting antenna element to transmit an arbitrary waveform. This provides extra degrees of freedom compared to the traditional transmit beamforming approach. It has been shown in the recent literature that MIMO radar systems have many advantages. In this paper, we consider the joint optimization of waveforms and receiving filters in the MIMO radar for the case of extended target in clutter. A novel iterative algorithm is proposed to optimize the waveforms and receiving filters such that the detection performance can be maximized. The corresponding iterative algorithms are also developed for the case where only the statistics or the uncertainty set of the target impulse response is available. These algorithms guarantee that the SINR performance improves in each iteration step. Numerical results show that the proposed methods have better SINR performance than existing design methods.      

基于量子遗传算法的MIMO雷达正交信号波形设计

正交信号波形设计是MIMO雷达领域的研究热点,随着技术的发展,MIMO雷达对正交信号波形的性能要求越来越高。针对现有MIMO雷达正交信号波形互相关峰值较高且算法收敛速度慢的问题,为了提高码长较长的正交信号波形的性能,本文使用量子遗传算法,将量子计算与遗传算法相结合,进一步降低了波形的互相关峰值,一方面降低了不同目标回波之间的相互干扰,提高了雷达系统的检测性能,另一方面使雷达系统更难被敌方定位,提高了雷达的战场生存能力。仿真试验的结果表明,该方法能有效提高波形的正交性能,并加快了优化的速度。      

集中式MIMO雷达研究进展：正交波形设计与信号处理

集中式多输入多输出（Multiple Input Multiple Output,MIMO）雷达通常利用正交波形增加发射波形自由度,采用数字阵列拓展空间收发自由度,使得雷达接收机的天线孔径获得明显扩展,最终带来空间分辨率、测角精确度、杂波抑制能力等大幅度提升。但是,这些性能提升的前提是发射波形具有正交特性。事实上,在实际应用中,在不牺牲时域/频域资源情况下,受限于时宽带宽积,无法获得完全正交的波形集合,从而限制了MIMO雷达系统性能。本文对集中式MIMO雷达正交波形复用的技术原理进行了系统回顾,分别归纳了三种快时间发射波形设计方法：时分复用（Time Division Multiplexing, TDM）、码分复用（Code Division Multiplexing,CDM）和频分复用 （Frequency Division Multiplexing, FDM）,以及两种慢时间发射波形设计方法：多普勒分复用（Doppler Division Multiplexing,DDM）和随机相位编码波形,并对其优缺点进行对比。同时,对快时间MIMO和慢时间MIMO的信号处理流程进行归纳综合,给出基于匹配滤波的集中式MIMO雷达统一信号处理框架。为了展示不同波形对成像性能的影响,本文给出了基于三维匹配滤波的MIMO雷达成像结果。最后,结合实际应用问题,指出当前MIMO雷达面临的技术难点和发展趋势。     

MIMO雷达相位编码波形集相关函数下界综述

MIMO雷达波形集的互相关函数峰值越低，则正交性越好，波形分集增益越高。非循环互相关函数下界的研究有助于确定波形分集增益的极限值，对MIMO雷达波形设计与应用有重要意义。相位编码波形集是目前被研究最多的MIMO雷达波形集，对其相关函数下界的研究较为深入。本文对目前相位编码波形集相关函数各类下界的研究进行归纳总结，包括相关函数峰值旁瓣下界、相关函数积分旁瓣下界、互相关内积下界、互补序列相关函数下界四大类。相关函数峰值旁瓣下界是影响MIMO雷达波形分集增益的关键指标，其他类型的下界与相关函数峰值旁瓣下界之间存在潜在联系，这可能有助于相关函数峰值旁瓣下界的确定。不同波形数，不同码长的典型相位编码波形相关函数指标与下界的对比结果表明，目前已有下界都不够紧，尤其在波形数较多时。因此，MIMO雷达相位编码波形集相关函数下界仍是一个值得研究的开放问题。      

On parameter identifiability of MIMO radar with waveform diversity

Parameter identifiability is one of the most interesting issues in multiple-input multiple-output (MIMO) radar systems. Previous works have presented conditions for parameter identifiability of the systems with uncorrelated waveforms. In this paper, under general waveform assumptions, we investigate conditions for parameter identifiability of MIMO radar systems with more flexible waveform diversity, where the transmitted waveforms are not restricted to be uncorrelated. The conditions specify the maximum number of targets that can be uniquely localized, which are obtained based on the rule of time-bandwidth product. Moreover, it is found that the conditions are in terms of the rank and structure of the waveform covariance matrix (WCM) and the geometry of MIMO radar systems. Numerical examples are provided to verify the effectiveness of the conditions.     

MIMO Radar Ambiguity Properties and Optimization Using Frequency-Hopping Waveforms

The concept of multiple-input multiple-output (MIMO) radars has drawn considerable attention recently. Unlike the traditional single-input multiple-output (SIMO) radar which emits coherent waveforms to form a focused beam, the MIMO radar can transmit orthogonal (or incoherent) waveforms. These waveforms can be used to increase the system spatial resolution. The waveforms also affect the range and Doppler resolution. In traditional (SIMO) radars, the ambiguity function of the transmitted pulse characterizes the compromise between range and Doppler resolutions. It is a major tool for studying and analyzing radar signals. Recently, the idea of ambiguity function has been extended to the case of MIMO radar. In this paper, some mathematical properties of the MIMO radar ambiguity function are first derived. These properties provide some insights into the MIMO radar waveform design. Then a new algorithm for designing the orthogonal frequency-hopping waveforms is proposed. This algorithm reduces the sidelobes in the corresponding MIMO radar ambiguity function and makes the energy of the ambiguity function spread evenly in the range and angular dimensions.      

基于稀疏矩阵和相关函数联合优化的MIMO-OFDM线性调频波形复用设计与实现方法

多输入多输出合成孔径雷达(Multiple-Input Multiple-Output Synthetic Aperture Radar, MIMO SAR)发射信号应该具有大时间带宽积和良好的模糊函数特性。该文联合优化稀疏矩阵和相关函数来设计多路正交的MIMO SAR 正交频分复用线性调频(OFDM chirp)信号,首先将MIMO SAR波形设计转化为跳频频率与跳频幅度的联合设计,并提出以最小化稀疏矩阵块相关系数及信号互相关峰值和为约束条件,采用迭代搜索法求解最佳编码矩阵;并以最小化信号自相关旁瓣峰值与互相关峰值之和为约束条件,采用遗传算法确定最佳幅度矩阵;最后采用组合优化搜索法设计出最佳信号。文中还分析了发射阵元数目、跳频总间隔数及总频率选择数与信号性能之间的关系。仿真结果表明此方法可以设计多路正交大时间带宽积OFDM chirp信号,同时降低信号的互相关峰值与自相关旁瓣峰值、提高互模糊性能。      

集中式MIMO雷达研究综述

多输入多输出(MIMO)雷达作为一种新体制雷达,利用其发射波形分集的特点,在目标检测、参数估计、射频隐身及抗干扰等诸多方面展现出了突出的性能,经过学者们近20年的深入研究,基于正交波形的MIMO雷达相关理论日臻完善,并在汽车辅助驾驶、安全防卫等领域得到广泛应用。近年来,随着电磁环境感知及知识辅助等概念的引入,基于波形优化的MIMO雷达主动抗干扰、射频隐身、以及探测-通信一体化等技术受到学者们的关注并得到深入研究。该文力图对学者们近20年来围绕MIMO雷达的研究工作进行归纳与综述,内容主要包括:正交波形MIMO雷达原理、目标探测性能分析、典型应用;正交波形MIMO雷达波形设计与特点;基于知识的认知MIMO波形设计与算法;基于MIMO的探测-通信一体化波形设计与算法;MIMO雷达信号处理、数据处理及资源管理。论文最后对MIMO雷达在机载应用中的空时处理(STAP)、MIMO雷达在成像中的信号处理、以及基于时分多波形分集的线性调频毫米波MIMO雷达信号处理等进行了讨论。      

MIMO Radar Space–Time Adaptive Processing Using Prolate Spheroidal Wave Functions

In the traditional transmitting beamforming radar system, the transmitting antennas send coherent waveforms which form a highly focused beam. In the multiple-input multiple-output (MIMO) radar system, the transmitter sends noncoherent (possibly orthogonal) broad (possibly omnidirectional) waveforms. These waveforms can be extracted at the receiver by a matched filterbank. The extracted signals can be used to obtain more diversity or to improve the spatial resolution for clutter. This paper focuses on space-time adaptive processing (STAP) for MIMO radar systems which improves the spatial resolution for clutter. With a slight modification, STAP methods developed originally for the single-input multiple-output (SIMO) radar (conventional radar) can also be used in MIMO radar. However, in the MIMO radar, the rank of the jammer-and-clutter subspace becomes very large, especially the jammer subspace. It affects both the complexity and the convergence of the STAP algorithm. In this paper, the clutter space and its rank in the MIMO radar are explored. By using the geometry of the problem rather than data, the clutter subspace can be represented using prolate spheroidal wave functions (PSWF). A new STAP algorithm is also proposed. It computes the clutter space using the PSWF and utilizes the block-diagonal property of the jammer covariance matrix. Because of fully utilizing the geometry and the structure of the covariance matrix, the method has very good SINR performance and low computational complexity.     

基于SQP 算法的MIMO 雷达波形设计与工程实现

为了有效利用MIMO 体制雷达的波形分集能力,需要对雷达发射波形进行正交性设计,从工程实现 的角度出发,针对MIMO 雷达发射信号的正交性要求,利用序列二次规划方法设计正交相位编码信号波形。通过仿 真分析,重点研究了信号数量、码长对波形正交性能的影响以及波形与雷达发射方向图之间的关系,验证了该方法 的有效性和优异性,并与经典的遗传算法进行了仿真比较,最后依托波形产生系统完成了波形的工程实现,并且成 功应用到了雷达系统中。结果表明,采用该方法能够获得较低的自相关旁瓣峰值和互相关峰值,设计出符合雷达系 统要求的正交波形。     

基于MIMO阵列的一体化射频技术研究进展及展望

基于多输入多输出（multiple-input-multiple-output， MIMO）阵列的一体化射频系统通过充分利用空间自由度和波形自由度，不仅能够同时实现雷达探测、数据通信、电子干扰等多种功能，而且具有目标探测可靠性好、参数估计精确度高、反侦察识别能力强等突出特点，在高动态强对抗环境中展现了巨大的潜力。从基于MIMO阵列的一体化射频系统的检测性能分析入手，剖析了一体化射频系统的检测性能极限以及影响检测性能的主要因素；针对MIMO阵列参数高精度估计问题，提出通过单个发射脉冲完成参数估计以及一种增强参数估计精度的波形优化算法；考虑到目标角度估计误差不可避免，提出了一种稳健的一体化波形设计算法；针对杂波环境中一体化射频系统性能下降的问题，提出了发射波形和接收滤波器联合优化算法，该算法不仅能够实现同时多功能，而且有效地抑制了杂波，提高了目标检测性能。最后，展望了一体化射频系统参数估计精度极限、高精度参数估计、稳健波形设计、波形设计算法快速实现等有待突破的信号处理关键技术。     

MIMO雷达非均匀布阵的性能分析

多输入多输出（MIMO）雷达是一种新体制雷达,它在发射端发射正交信号,从而产生虚拟阵元,扩大阵列孔径,在DOA估计、参数识别等方面的性能较相控阵雷达有很大提高。而目前有关MIMO雷达中虚拟阵元的讨论都以均匀线阵（ULA）为基础,并与相控阵雷达的性能进行比较。丈中在ULA的基础上,研究了非均匀线阵（NLA）,研究结果表明,非均匀线阵产生了更多的有效虚拟阵元,与相控阵雷达和ULA布阵MIMO雷达相比．具有更多的空间自由度、更好的克拉关·罗界和更好的DOA性能。     

基于二次虚拟孔径扩展的双基地MIMO雷达相干分布式目标中心角度估计

该文提出了基于二次虚拟孔径扩展的双基地MIMO雷达相干分布式目标中心角度估计算法。首先构造了基于非均匀阵列的具有相同确定性角信号分布函数和分布参数的相干分布式目标的双基地MIMO雷达信号模型,再利用基于最小冗余的差分共置阵列思想,实现了阵元二次虚拟扩展;然后通过构造置换、去冗余和换维矩阵,得到了新的协方差矩阵;最后利用ESPRIT算法思想,估计出相干分布式目标的发射、接收中心角,并且实现了角度参数的自动配对。由于该文算法实现了阵元二次虚拟扩展,因此相比于传统MIMO雷达能识别更多的目标,具有更高的估计精度。实验仿真结果证明了该文算法的有效性。     

基于混合遗传算法的正交相位编码波形设计

提出一种混合遗传算法来设计可以应用于MIMO(多输入多输出)雷达系统的正交相位编码信号.该算法将模拟退火的思想引入遗传算法并加入了最优保存策略、小范围竞争择优交叉操作和过滤相同个体并动态补充新个体的操作,避免了遗传算法中的早熟问题,增强了算法的全局搜索能力,提高了算法的收敛速度.仿真结果表明,该算法可行且高效.     

低距离旁瓣稀疏频谱波形相位编码设计

雷达系统可通过发射稀疏频谱波形(Sparse Frequency Waveform, SFW)克服同频窄带干扰问题,然而SFW通常具有较高的距离旁瓣,降低了弱小目标的检测性能。针对该问题,该文提出一种设计低距离旁瓣SFW的相位编码方法。该方法以联合最小化波形功率谱密度均方差和距离旁瓣为准则建立目标函数,并提出一种基于快速傅里叶变换的循环迭代算法(Cycle Iterative Algorithm, CIA)求解目标函数获得最优相位编码波形。随后将该方法扩展至多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)雷达,设计一组具有良好自/互相关特性SFW的相位编码。该方法沿着使目标函数非递增的方向搜索,且无需求解共轭梯度,计算复杂度低,可快速设计并更新发射波形。仿真结果验证了该方法的有效性与灵活性。     

基于线性调频时宽的MIMO雷达正交波形设计

线性调频(LFM)信号是一种被广泛应用的大时宽带宽积信号,利用LFM信号的多样性可设计多输入多输出(MIMO)雷达的正交波形。该文针对现有波形相关函数存在的问题,以理论分析为基础,提出一种基于LFM时宽的发射波形,并给出了一种相应的正交波形设计方法。该方法以峰值旁瓣电平为准则,利用序列二次规划对各子脉冲LFM信号的时宽进行优化设计。仿真结果表明,与现有方法相比,所设计波形具有较低的自相关旁瓣电平和互相关电平。此外,通过数值实验分析了相关性能随波形个数及子脉冲个数的变化关系。     

基于MIMO雷达虚拟阵列的近场目标定位

提出了一种基于MIMO雷达虚拟阵列的近场目标定位新算法。该算法通过MIMO雷达形成的虚拟阵列的互协方差矩阵来构造一个新的二阶统计量矩阵,利用其相应的特征值及特征向量估计出近场目标的三维参数。由于不同虚拟阵列的噪声是不相关的,所以该算法可适用于任意的加性高斯噪声环境。与现有的无源阵列近场源定位算法相比,该算法的参数估计结果能自动配对,无需参数配对过程,且不存在接收阵列孔径损失的问题。计算机仿真结果证明了本文算法的正确性和有效性。     

发射波形任意合成结构下机载MIMO雷达STAP性能分析

输出信杂噪比(SCNRout)是决定机载多输入多输出(MIMO)雷达空时自适应信号处理(STAP)性能的一个重要指标,但是现有的STAP算法均无法准确地给出其理论解析式。针对上述问题,文中研究了发射波形任意合成结构下的机载MIMO雷达衡量STAP性能的SCNRout的精确理论解析式。首先,通过发射波形互相关矩阵和MIMO STAP性能之间的联系,推导得出了SCNRout的理论解析式;然后,基于对该理论解析式的分析,从发射波形任意合成结构这个角度阐述了理想MIMO雷达、MIMO相控阵雷达和相控阵雷达的STAP性能特征。仿真实验表明:推导得出的理论解析式与仿真结果精确一致,并论证分析了机载MIMO雷达STAP处理性能的优越性。所推导的理论解析式对发射波形的优化设计具有重要的参考意义。     

MIMO雷达正交混沌调频波形集设计

正交波形设计是实现MIMO雷达的关键技术之一,目前正交波形设计方法主要多采用统计优化算法,如模拟退火、遗传算法等,此类方法主要缺点是算法耗时长、效率低,且所设计的波形集性能随着波形个数的增加而下降,针对此问题,提出一种基于混沌调频的MIMO雷达正交波形集设计方法,采用混沌调频信号作为MIMO雷达的发射波形,利用混沌序列良好的统计特性,无需寻优处理即可得到性能优越的正交波形集,且理论上可以得到任意数目的波形而不损失波形集性能,因此,该方法在算法效率和波形多样性方面具有优势,计算机仿真实验验证了设计方法的有效性。      

Transform domain approach for sequence design and its applications

Many communication and radar systems necessitate the use of sequences with desired autocorrelation (AC) and cross-correlation (CC) properties. This paper presents a systematic method based on the transform domain characterization of the AC and CC constraints to generate new families of sequences that meet the requirements. We demonstrate that some existing families can easily be generated by our approach. Our approach, however, renders new families of sequences with less constraints. The proposed approach is elementary and can easily be extended to synthesize two-dimensional arrays or even higher dimensional waveforms that possess the desired multidimensional correlation properties. A preamble structure based on our new sequence family is suggested and performance of frequency offset and channel estimation algorithms for a multiantenna orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) system that uses such a preamble is given.