基于粒子滤波的分布式相干MIMO雷达目标定位与跟踪

题（中、英文）目基于粒子滤波的分布式相干MIMO雷达目标定位与跟踪ParticleFilterBasedTargetLocalizationandTrackingForDistributedCoherentMIMORadar作者姓名沈寒酉指导教师姓名、职务李军副教授学科门类工学提交论文日期二○一二年一月学科、专业信号与信息处理0910120963代号分类号学号密级10701TN911.7公开西安电子科技大学学位论文独创性（或创新性）声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。本人签名：__________日期：_________西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。本人签名：_________日期：_________导师签名：_________日期：_________摘要多输入多输出(Multi-InputMulti-Output,MIMO)雷达是一种利用多个发射阵元协同发射分集信号，并通过多个接收阵元同步接收，联合处理回波信号的一种新兴的雷达体制。与传统的雷达体制相比，该体制雷达能够极大地提高目标的检测、跟踪、识别及参数估计等性能。学术界按照收发阵元配置和间距的不同，将MIMO雷达分为单基地MIMO雷达、双基地MIMO雷达和分布式MIMO雷达三种。本文围绕着分布式MIMO雷达，通过将粒子滤波算法的基本思想与分布式MIMO雷达相干处理的目标定位及跟踪这些问题进行结合，提出了基于粒子滤波思想的分布式相干MIMO雷达目标定位的数值解法以及分布式相干MIMO雷达运动目标的粒子滤波跟踪算法。此外结合米波雷达优越的反隐身性能，在米波雷达波段的条件下进行了性能仿真。全文主要内容如下：第二章中，我们从MIMO雷达体系的结构出发，介绍了分布式相干MIMO雷达的信号模型，并且从贝叶斯估计理论出发，介绍了本文所提出算法的基础与核心——序贯重要性采样（SIS）算法和序贯重要性重采样算法（SIR，即粒子滤波算法）。第三章通过对分布式相干MIMO雷达信号模型进行推导，介绍了分布式相干MIMO雷达目标定位的最大似然法[27]的同时，还根据贝叶斯估计理论推导了目标定位的最大后验概率估计（MAP）和最小均方误差估计（MMSE）的公式。并且结合了粒子滤波算法理论的基础——SIS算法思想提出了分布式相干MIMO雷达目标定位的最小均方误差估计（MMSE）的数值解法。通过在高斯噪声环境与非高斯噪声环境下对本文提出的算法进行了仿真，并且与文献[27]所提出的最大似然法进行了比较，验证了本文所提出算法的有效性。仿真实验证明，在非高斯噪声环境下，本文提出的目标定位解法性能要优于文献[27]中所提出的最大似然法。第四章结合粒子滤波算法，提出了分布式相干MIMO雷达运动目标的粒子滤波跟踪算法，并且在高斯噪声和非高斯噪声环境下，对运动目标轨迹的非线性逐渐增强的三种不同运动情况进行了仿真，验证了算法的有效性。由于仿真均在米波雷达波段下进行，因此本论文提出的方法可以用于分布式米波雷达相干处理，在提高米波雷达定位和跟踪精度的同时，也提高了对隐身目标的定位与跟踪性能。关键词：多输入多输出(MIMO)雷达反隐身技术目标定位跟踪粒子滤波AbstractMIMORadarisanemergingradartechniquewhichtransmitsdiverseprobingsignalsbymultipleantennasandreceivestheechoessynchronouslyviamultipleantennasforcombinedprocessing.Unlikethetraditionalradar,MIMOradarhasgreatcapabilitytoimprovetheradarperformanceofinterestingtargetdetection,tracking,recognitionandparameterestimation.Normally,therearethreeformsofMIMOradarwhichareclassifiedaccordingtotheirantennasconfiguration:thecolocatedMIMOradar,thebistaticMIMOradarandthedistributedMIMOradar.ThispaperfocusesonthedistributedMIMOradar.ItshowsthenumericalsolutionsfortargetlocalizationbasedontheparticlefilteralgorithmandparticlefiltertrackingformovementtargetintheconditionofthecoherentdistributedMIMOradarbycombiningtheideaoftheparticlefilteralgorithmwiththeproblemsofthetargetlocalizationandtrackingintheconditionofthecoherentdistributedMIMOradar.themainresearchworksofthisthesisareasfollow:Inchapter2,theMIMOradarsystemmodelisintroducedinthispaper,AndthecoherentdistributedMIMOradarsignalmodelisalsoderived.Inaddition,thebasisandcoreofthispaper--SequentialImportanceSampling(SIS)andSequentialImportanceResampling(SIR,alsocalledparticlefilter)areintroducedinthischapter.Inchapter3,accordingtoderivationofthecoherentdistributedMIMOradarsignalmodel,thetargetlocalizationmethodviamaximumlikelihood(ML)estimationisintroducedandthetargetlocalizationmethodviamaximumaposteriori(MAP)estimationandminimummean-squareerror(MMSE)estimationarealsoderivedinthischapter.Furthermore,thepaperproposestheNumericalsolutionsfortargetlocalizationmethodviaMMSEestimationbasedonthebasisoftheparticlefilter--SIS.Finally,theeffectivenessofthesolutionisconfirmedbycomparisonwiththeMLmethodproposedinliterature[27]intheGaussianandnon-Gaussiannoiseenvironmentsviacomputingsimulation.Finally,combinedwiththeparticlefilter,thecoherentdistributedMIMOradarParticleFiltermethodformovingtargettrackingisproposedanditseffectivenessisconfirmedbycomputingsimulationsinthreecasesthatthemovingtargettrajectory’snonlinearitygraduallyincreasingbothintheGaussiannoiseandnon-Gaussianenvironments.Theproposedmethodcanbeusedtoimprovethelocalizationandtrackingperformanceofmeterwaveradarforstealthtarget.KeyWords:MIMORadar,Anti-stealthtechnology,Targetlocalization,Tracking，ParticleFilter目录摘要.................................................................................................................................1Abstract...........................................................................................................................III第一章绪论.....................................................................................................................11.1本文研究背景及意义.........................................................................................11.2研究历史和现状.................................................................................................31.2.1MIMO雷达研究历史和现状..................................................................31.2.2反隐形技术研究的现状..........................................................................51.2.3粒子滤波算法研究历史及现状..............................................................61.3本文的组织结构.................................................................................................7第二章分布式相干MIMO雷达模型及粒子滤波算法介绍.......................................92.1MIMO雷达介绍..................................................................................