【導(dǎo)讀】中國地質(zhì)大學(xué)或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。本人授權(quán)省級優(yōu)秀學(xué)士學(xué)位論文評選機構(gòu)將本學(xué)位論文的全部。致的了解，不難看出探地雷達未來的發(fā)展方向。多輸入多輸出雷達是在數(shù)字陣列雷達、大的發(fā)展?jié)摿Γ饾u成為下一代雷達的主要發(fā)展方向之一。破陣元間距半波長限制、提高角度分辨率、提高系統(tǒng)自由度等。MIMO雷達借鑒已經(jīng)成熟。的陣列信號處理技術(shù)，為雷達信號處理提供了新思路。然而，MIMO雷達在提高信號處理。題，波形設(shè)計和陣列結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題以及系統(tǒng)自由度過高導(dǎo)致的自適應(yīng)算法性能下降等問題。GprMax用于雷達正演，操作簡單，而反演則比較復(fù)雜。束形成技術(shù)以及反向投影成像算法。基于不同的理論基礎(chǔ)，這些算法又衍。對算法進行仿真，并得到仿真圖像。

　　

【正文】 432） 理想正交情況下 g(t)為沖激脈沖，但由于通常為一定時寬的時域正交信號， g(t)可以看做是其低旁瓣自相關(guān)函數(shù)，假設(shè)各個發(fā)射信號波形的自相關(guān)函數(shù)形式相同，并忽略互相關(guān)影響。假定目標為包含 Q個散射中心點散射模型。不考慮噪聲和天線輻射方 向圖的影響，第 n 個接收陣元的回波信號為： （ 433） 其中 =()為接收陣元的坐標，發(fā)射陣元坐標 =()，是第 q個散射中心的散射系數(shù)， 表示發(fā)射信號從發(fā)射陣元 m經(jīng)散射中心 q到接收陣元 n的傳播時延，可寫為： （ 434） MIMO雷達的基帶回波信號表示為： （ 435） 對應(yīng)于多觀測通道的輸出結(jié)果，由此，接收端將得到 MN路基帶回波信號。 SAR BP 算法基本原理 BP 算法最初是根據(jù) CT 成像的投影切片理論推導(dǎo)出的一種 SAR時域成 像算法。 BP 算法通過回波數(shù)據(jù)在時域的相干疊加實現(xiàn)高分辨成像，其基本原理可以用點目標結(jié)合線性陣列模型來解釋。 假定 SAR 平臺沿直線勻速運動采集數(shù)據(jù)，由此采樣點可以構(gòu)造成一空間直線陣列，SAR 的雙程傳輸模型可以等效為目標向天線陣列的輻射模型，具體參見圖 43。 19 圖 43 SAR 的回波歷程 圖 44 BP 算法的聚焦過程 根據(jù)圖 43中 SAR的幾何關(guān)系，可以得到目標到天線陣列的時延曲線 (如圖 44所示 )，具體的時延表示式為： （ 436） 為了簡便起見，發(fā)射信號直 接表示為沖激信號 ，那么 SAR 的時域回波數(shù)據(jù)為： （ 437） 20 BP 算法的基本思想是通過計算目標點到各個天線孔徑點之間的雙程時延，而后沿相應(yīng)的時延曲線進行相干疊加 (見圖 (b))，求疊加結(jié)果的幅度得到所需目標點的后向散射強度，即： （ 438） 對成像區(qū)域中的各個點遍歷上述“延遲 — 求和”過程，即可得到每個點的散射強度值。當成像區(qū)域的像素點與目標位置重合時，式 (438)就會沿著目標的時延曲線積分，實現(xiàn)相干疊加。當像素點與目標位置不重合時，式 (438)將無法進 行相干疊加，從而就可得到目標的精確成像結(jié)果。 標準 BP 算法描述 MIMO雷達的回波數(shù)據(jù)表示式是關(guān)于發(fā)射孔徑位置變量、接收孔徑位置變量和時間 t的函數(shù)形式，在方位向上無論是信號包絡(luò)還是載頻相位項都與變量和有關(guān)，在距離時間向已經(jīng)通過匹配濾波進行了壓縮，常規(guī)的頻域 SAR成像算法難以同時完成對發(fā)射孔徑和接收孔徑的方位聚焦。因此， MIMO 雷達成像的首選處理方法就是不受陣列形式限制的 BP 算法。 應(yīng)用標準 BP 算法對 MIMO雷達回波數(shù)據(jù)進行成像處理之前，首先對 MIMO雷達回波數(shù)據(jù)的時延曲線進行分析。目標散射點 q 對應(yīng)的傳播時延可表示為： （ 439） MIMO 雷達方位向成像處理時需要同時聚焦收發(fā)孔徑的時延曲線，而傳統(tǒng)的 RD 算法、 RM 算法及 CS 算法等一般只能聚焦發(fā)射孔徑或是接收孔徑的時延曲線，所以它們難以實現(xiàn) MIMO 雷達成像，但 MIMO雷達復(fù)雜的時延曲線特征對于標準 BP 算法卻不會產(chǎn)生影響。 按照 BP 算法的基本原理，建立如圖 45所示的成像處理幾何結(jié)構(gòu)。圖中對成像區(qū)域進行了網(wǎng)格劃分，即通過均勻采樣將連續(xù)圖像離散化。區(qū)域劃分后像素點之間的間隔一般與分辨率相當，因為間隔太大會造成圖像的欠采樣，影響成像 質(zhì)量，而間隔過小又會加大算法的運算量。圖 ，這只是為了方便繪制 MIMO 雷達成像處理的幾何結(jié)構(gòu)，并不代表它們之間的實際分布關(guān)系。 假定成像區(qū)域劃分為 K個像素點，以 (k=1,2,… ,K)和 (l=1,2,… ,L)分別表示距離向和方位向上像素點的坐標值，和則表示像素點（）到發(fā)射陣元 m和接收陣元 n的距離，如圖 45所示。 21 圖 45 MIMO 雷達標準 BP 算法的成像處理幾何結(jié)構(gòu) 在球面波輻射接收模型下，像素點（）與收發(fā)天線位置組合（）之間的雙程時延為： （ 4310） 距離壓縮后的 MIMO 雷達回波數(shù)據(jù)表示為： （ 4311） 標準 BP 算法需要對它完成方位向的聚焦處理。成像區(qū)域像素點（）的聚焦結(jié)果可以表示為： 22 （ 4312） 上述 BP 算法的成像處理包含三個過程：基頻包絡(luò)的時延調(diào)整， 載頻項的相位校正和數(shù)據(jù)相干疊加，具體的算法處理流程如圖 46所示。從圖中可見，標準 BP 算法的處理流程簡單，相位補償容易，同時在成像過程中不存在任何假設(shè)條件的情況下對 MIMO雷達成像的陣列形式?jīng)]有限制，是一種魯棒性很強的時域成像算法。但標準 BP 算法的處理過程需要逐點精確聚焦，這使得算法的運算量很大，這是標準 BP 算法的主要缺點，所以 MIMO雷達成像使用標準 BP 算法時需要特別注意這個問題。 圖 46 MIMO 雷達標準 BP 算法流程圖 信號分選 時間延遲 相位校正 沿發(fā)射孔徑 和接收孔徑 相干疊加 選擇初始像素點 劃分成像區(qū)域 確定像素點 的時延曲線 改變像素點位置 判斷是否遍歷 整個成像區(qū)域 MIMO雷達回波數(shù)據(jù) e（， t） e(,) K (k,l) (k+1,l)或 (k,l+1) e(， ) 否 是 成像結(jié)果 23 標準 BP 算法仿真 實驗場地設(shè)在一棟大樓的樓頂，因此收發(fā)孔徑及目標場景距離的取值范圍都會受到一定的限制，但參數(shù)的選擇都滿足誤差分析的要求。為了便于對實驗系統(tǒng)參數(shù)進行描述，以天線導(dǎo)軌方向為 x軸方向，以導(dǎo)軌的水平 垂直方向為 y軸方向建立二維直角坐標系。接收陣列的孔徑長度為 1m，陣元間距為 ，分布于 x軸上的 [ 0. 5 m， 0. 5 m] 區(qū)間；發(fā)射陣列包含 3個發(fā)射陣元，它們的坐標分別為 ( 0. 7 m， 0 m) 、 ( 0 m， 0 m) 和 ( 0. 7 m， 0 m) 。目標的參考中心到天線導(dǎo)軌的距離為 10m，相應(yīng)的坐標為 ( 0 m， 10 m)。多散射點目標包括 4個散射點，它們的坐標分別為 ( 0. 25 m， 9. 5 m) 、 ( 0. 25 m， 10. 5 m)、 ( 0. 25 m， 9. 5 m)、 ( 0. 25 m， 10. 5 m) 。發(fā)射信號的中心波長為 0. 03 m，帶寬為 200 MHz。利用標準 BP 算法對上述 MIMO雷達實驗系統(tǒng)所錄取的實測數(shù)據(jù)進行成像處理，處理結(jié)果如圖 47所示。 圖 47 多散射點標準 BP 算法成像結(jié)果 24 第五章 總結(jié)與展望 本文考慮到 MIMO 雷達成像技術(shù)的應(yīng)用背景，針對 MIMO雷達的成像基礎(chǔ)問題、成像算法等進行了深入的研究，并且對雷達正演做了模擬成像，主要內(nèi)容如下： 研究了 MIMO雷達成像所涉及的數(shù)據(jù)獲取方式、陣列特性等基礎(chǔ)性問題。通過 MIMO雷達成像的 數(shù)據(jù)獲取方式研究，證明多觀測通道效應(yīng)是 MIMO雷達實時成像的基本保障條件。 模擬了探底雷達正演的成像過程。設(shè)定目標模型的對應(yīng)參數(shù)，利用 GprMax軟件對目標體進行二維建模。 研究了 MIMO雷達數(shù)字波束形成技術(shù)。如果能夠?qū)ο嗫仃嚴走_的波束形成及自適應(yīng)處理技術(shù)進行改進應(yīng)用于 MIMO 雷達中，則能夠提高目標定位精度和多目標分辨能力，并能夠更有效地抑制雜波和干擾。 研究了 MIMO 雷達成像 BP 算法?；?SAR BP 算法原理，導(dǎo)出了 MIMO 雷達標準BP 算法?？紤]到標準 BP 算法的實現(xiàn)效率問題，提出了 MIMO 雷達 TCCBP 算法，它是基于時延曲線校正的。結(jié)合 SAR RD算法，提出了 MIMO雷達 RDBP 算法，它具有高于標準 BP 算法和 TCCBP 算法的運算效率。 從 MIMO雷達概念提出至今，人們對 MIMO 雷達各方面關(guān)鍵技術(shù)的研究日趨深入，MIMO 雷達的多方面性能優(yōu)勢也逐步得到證實。由于 MIMO 雷達成像技術(shù)尚處于起步階段，其技術(shù)本身比較復(fù)雜，尚有許多理論和實際問題需要進一步深入研究： (1) 正交發(fā)射信號及其分選方法設(shè)計。設(shè)計適用于 MIMO 雷達成像技術(shù)的發(fā)射信號波形及其分選方法需要進行研究。 (2) 雷達正演成像的效果圖有待提高。 (3) 文中 提出了很多種算法技術(shù)，但是，各種算法都有自己的優(yōu)缺點，在今后的研究中，應(yīng)該結(jié)合各種算法綜合考慮，逐步完善成像算法。 25 致謝 四年的本科生學(xué)習(xí)即將結(jié)束，在這段時光里充滿了艱辛與快樂、挑戰(zhàn)與收獲，我得到了諸多老師、同學(xué)和朋友的關(guān)心、支持與幫助。值此論文完成之際，謹向他們表示衷心的感謝。 26 參考文獻 [1] 王懷軍， MIMO雷達成像算法研究，博士學(xué)位論文，國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)， 202009。 [2] 雷文太、黃春琳、王懷軍等，合成孔徑與實孔徑雷達譜域成像算法對比分析，數(shù)據(jù)采集與處理， 2020。 [3] 王懷軍、許紅 波、陸珉等， MIMO雷達技術(shù)與應(yīng)用分析，雷達科學(xué)與技術(shù)， 2020。 [4] 王懷軍、黃春琳、陸珉等， MIMO雷達反向投影成像算法，系統(tǒng)工程與電子技術(shù)， 2020。 [5] 姜偉， MIMO雷達信號處理關(guān)鍵技術(shù)研究，博士學(xué)位論文，北京理工大學(xué)， 2020年 11月 30日。 [6] 黃玲，多輸入多輸出探地雷達方法研究，博士學(xué)位論文，吉林大學(xué)， 2020年 4月。 [7] 黃韜、袁超偉、楊睿哲等， MIMO相關(guān)技術(shù)與應(yīng)用，北京 : 機械工業(yè)出版社， 2020年 3月 4日。 [8] 夏威， MIMO雷達模型與信號處理研究，博士學(xué)位論文 ，西安 : 西安電子科技大學(xué) , 2020年 3月 8日。 [9] 孔令講，淺地層探地雷達信號處理算法的研究，碩士學(xué)位論文，西安：西安電子科技大學(xué)， 2020年。 [10] 粟毅、黃春琳、雷文太，探地雷達理論與應(yīng)用，北京 : 科學(xué)出版社， 2020年。 [11] 曾昭發(fā)、劉四新、王者江、薛建，探地雷達方法原理與應(yīng)用，北京 : 科學(xué)出版社， 2020年。 [12] 王青， MIMO雷達陣列設(shè)計方法研究，碩士學(xué)位論文，國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院，2020年 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