1-bit采样因其低成本、低功耗等优势引起了广泛关注,本文主要讨论1-bit采样下雷达的脉压性能。首先,推导了1-bit采样造成的信噪比损失,分析了1-bit采样的适用条件,进而发现1-bit采样适合于单次回波信噪比较低的应用场景。接着,通过理论分析可知相对于高精度脉压系数,1-bit脉压系数会带来额外的脉压信噪比损失,但实现方式更为简单。此外,分析了在高信噪比下,发射信号为线性调频(linear frequency modulation,LFM)信号时周期性假目标出现的原因,并且指出相位编码可有效避免假目标出现。仿真实验验证了以上理论推导的正确性。最后,结合某高频(high frequency,HF)地波雷达的实测数据验证了1-bit采样的可行性。
多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)雷达作为一种新体制雷达,有着较高的设计自由度、潜在的优异性能,因此成为雷达领域的研究热点。MIMO雷达的主要研究内容包括MIMO阵列设计、发射方向图设计、波形设计、参数估计等方面。随着MIMO雷达理论日趋成熟,如何将其与现有雷达相结合成为了亟需解决的问题。本文围绕MIMO雷达,研究相控阵MIMO雷达(也被称为子阵级MIMO雷达)的方向图设计,提出一种MIMO雷达通信一体化的实现方法,并对一种低成本、低功耗技术——1-bit采样技术在MIMO雷达中的应用展开讨论。本文主要内容概括如下:(1)建立相控阵MIMO雷达的信号模型,分析相控阵MIMO雷达的方向图构成,将其与相控阵雷达和MIMO雷达在发射方向图、波束形成、处理方式以及参数估计性能方面进行全面对比分析。针对规则子阵划分所带来的高旁瓣问题,本文提出在发射和接收阵列中使用非规则子阵,该方法可有效削弱在多波束扫描时的高旁瓣。(2)将相控阵MIMO雷达中的子阵转换矩阵扩展为一般的权值矩阵,通过优化该权值矩阵,进行方向图设计。针对阵元数较多的二维平面阵,提出基于快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)的方向图设计方法;针对多目标的多波束方向图,以目标检测为准则,提出多波束设计方法和用恒模波形去逼近理想波形的循环迭代算法。最后,为提高MIMO雷达的参数估计性能,提出动态波形优化方法。该方法中,每次波形设计会依据前一时间段的参数估计结果,将发射能量辐射到感兴趣的目标方向。(3)讨论1-bit技术在MIMO雷达中的应用。首先,对1-bit采样后的信号进行分析,讨论1-bit技术的适用条件、使用该技术后的信噪比损失以及可能带来的负面影响。其次,将1-bit技术分别应用在岸-舰双基高频地波MIMO雷达和单基高频地波雷达中,进行详细的理论分析和实测数据验证;通过分析,1-bit采样可应用在上述雷达中,且性能表现符合理论预期。最后,将1-bit技术推广到一般MIMO雷达中,提出相应的参数估计方法,推导出1-bit采样下MIMO雷达参数的克拉美罗界(CramérRao Bound,CRB)。推导结果表明在低信噪比下1-bit采样后的信噪比近似为高精度采样的信噪比的2/π倍。(4)提出一种MIMO雷达通信一体化的方法。以正交频分线性调频(Orthogonal Frequency Division Multiplexing Linear Frequency Modulated,OFDM-LFM)信号为基础,通过改变每个天线上发射信号的载频实现通信。第一,分别描述在该信号形式下雷达和通信两个模块的信号处理流程;第二,讨论通信性能以及载频的选取准则;第三,讨论该方法对原有雷达性能的影响。分析表明,所提方法可在不影响雷达性能的前提下,完成数据传输,实现雷达通信一体化。
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