【導(dǎo)讀】中國(guó)地質(zhì)大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。本人授權(quán)省級(jí)優(yōu)秀學(xué)士學(xué)位論文評(píng)選機(jī)構(gòu)將本學(xué)位論文的全部。致的了解，不難看出探地雷達(dá)未來的發(fā)展方向。多輸入多輸出雷達(dá)是在數(shù)字陣列雷達(dá)、大的發(fā)展?jié)摿?，逐漸成為下一代雷達(dá)的主要發(fā)展方向之一。破陣元間距半波長(zhǎng)限制、提高角度分辨率、提高系統(tǒng)自由度等。MIMO雷達(dá)借鑒已經(jīng)成熟。的陣列信號(hào)處理技術(shù)，為雷達(dá)信號(hào)處理提供了新思路。然而，MIMO雷達(dá)在提高信號(hào)處理。題，波形設(shè)計(jì)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(dá)正演，操作簡(jiǎn)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(duì)算法進(jìn)行仿真，并得到仿真圖像。

　　

【正文】 31） 為載頻，為正交復(fù)包絡(luò)，滿足： , 1=i， j=M （ 432） 理想正交情況下 g(t)為沖激脈沖，但由于通常為一定時(shí)寬的時(shí)域正交信號(hào)， g(t)可以看做是其低旁瓣自相關(guān)函數(shù)，假設(shè)各個(gè)發(fā)射信號(hào)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(biāo)為包含 Q個(gè)散射中心點(diǎn)散射模型。不考慮噪聲和天線輻射方向圖的影響，第 n 個(gè)接收陣元的回波信號(hào)為： （ 433） 其中 =()為接收陣元的坐標(biāo)，發(fā)射陣元坐標(biāo) =()，是第 q個(gè)散射中心的散射系數(shù)， 表示發(fā)射信號(hào)從發(fā)射陣元 m經(jīng)散射中心 q到接收陣元 n的傳播時(shí)延，可寫為： （ 434） MIMO雷達(dá)的基帶回波信號(hào)表示為： （ 435） 對(duì)應(yīng)于多觀測(cè)通道的輸出結(jié)果，由此，接收端將得到 MN路基帶回波信號(hào)。 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(shí)域成像算法。 BP 算法通過回波數(shù)據(jù)在時(shí)域的相干疊加實(shí)現(xiàn)高分辨成像，其基本原理可以用點(diǎn)目標(biāo)結(jié)合線性陣列模型來解釋。 假定 SAR 平臺(tái)沿直線勻速運(yùn)動(dòng)采集數(shù)據(jù)，由此采樣點(diǎn)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(biāo)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(biāo)到天線陣列的時(shí)延曲線 (如圖 44所示 )，具體的時(shí)延表示式為： （ 436） 為了簡(jiǎn)便起見，發(fā)射信號(hào)直接表示為沖激信號(hào) ，那么 SAR 的時(shí)域回波數(shù)據(jù)為： （ 437） 20 BP 算法的基本思想是通過計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)到各個(gè)天線孔徑點(diǎn)之間的雙程時(shí)延，而后沿相應(yīng)的時(shí)延曲線進(jìn)行相干疊加 (見圖 (b))，求疊加結(jié)果的幅度得到所需目標(biāo)點(diǎn)的后向散射強(qiáng)度，即： （ 438） 對(duì)成像區(qū)域中的各個(gè)點(diǎn)遍歷上述“延遲 — 求和”過程，即可得到每個(gè)點(diǎn)的散射強(qiáng)度值。當(dāng)成像區(qū)域的像素點(diǎn)與目標(biāo)位置重合時(shí)，式 (438)就會(huì)沿著目標(biāo)的時(shí)延曲線積分，實(shí)現(xiàn)相干疊加。當(dāng)像素點(diǎn)與目標(biāo)位置不重合時(shí)，式 (438)將無法進(jìn)行相干疊加，從而就可得到目標(biāo)的精確成像結(jié)果。 標(biāo)準(zhǔn) BP 算法描述 MIMO雷達(dá)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(shí)間 t的函數(shù)形式，在方位向上無論是信號(hào)包絡(luò)還是載頻相位項(xiàng)都與變量和有關(guān)，在距離時(shí)間向已經(jīng)通過匹配濾波進(jìn)行了 壓縮，常規(guī)的頻域 SAR成像算法難以同時(shí)完成對(duì)發(fā)射孔徑和接收孔徑的方位聚焦。因此， MIMO 雷達(dá)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(biāo)準(zhǔn) BP 算法對(duì) MIMO雷達(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理之前，首先對(duì) MIMO雷達(dá)回波數(shù)據(jù)的時(shí)延曲線進(jìn)行分析。目標(biāo)散射點(diǎn) q 對(duì)應(yīng)的傳播時(shí)延可表示為： （ 439） MIMO 雷達(dá)方位向成像處理時(shí)需要同時(shí)聚焦收發(fā)孔徑的時(shí)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(shí)延曲線，所以它們難以實(shí)現(xiàn) MIMO 雷達(dá)成像，但 MIMO雷達(dá)復(fù)雜 的時(shí)延曲線特征對(duì)于標(biāo)準(zhǔn) BP 算法卻不會(huì)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(duì)成像區(qū)域進(jìn)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(diǎn)之間的間隔一般與分辨率相當(dāng)，因?yàn)殚g隔太大會(huì)造成圖像的欠采樣，影響成像質(zhì)量，而間隔過小又會(huì)加大算法的運(yùn)算量。圖 ，這只是為了方便繪制 MIMO 雷達(dá)成像處理的幾何結(jié)構(gòu)，并不代表它們之間的實(shí)際分布關(guān)系。 假定成像區(qū)域劃分為 K個(gè)像素點(diǎn)，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(diǎn)的坐標(biāo)值，和則表示像素點(diǎn)（）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(dá)標(biāo)準(zhǔn) 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(diǎn)（）與收發(fā)天線位置組合（）之間的雙程時(shí)延為： （ 4310） 距離壓縮后的 MIMO 雷達(dá)回波數(shù)據(jù)表示為： （ 4311） 標(biāo)準(zhǔn) BP 算法需要對(duì)它完成方位向的聚焦處理。成像區(qū)域像素點(diǎn)（）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(gè)過程：基頻包絡(luò)的時(shí)延調(diào)整 ， 載頻項(xiàng)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(biāo)準(zhǔn) BP 算法的處理流程簡(jiǎn)單，相位補(bǔ)償容易，同時(shí)在成像過程中不存在任何假設(shè)條件的情況下對(duì) MIMO雷達(dá)成像的陣列形式?jīng)]有限制，是一種魯棒性很強(qiáng)的時(shí)域成像算法。但標(biāo)準(zhǔn) BP 算法的處理過程需要逐點(diǎn)精確聚焦，這使得算法的運(yùn)算量很大，這是標(biāo)準(zhǔn) BP 算法的主要缺點(diǎn)，所以 MIMO雷達(dá)成像使用標(biāo)準(zhǔn) BP 算法時(shí)需要特別注意這個(gè)問題。 圖 46 MIMO 雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn) BP 算法流程圖 信號(hào)分選 時(shí)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(diǎn) 劃分成像區(qū)域 確定像 素點(diǎn) 的時(shí)延曲線 改變像素點(diǎn)位置 判斷是否遍歷 整個(gè)成像區(qū)域 MIMO雷達(dá)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(biāo)準(zhǔn) BP 算法仿真 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地設(shè)在一棟大樓的樓頂，因此收發(fā)孔徑及目標(biāo)場(chǎng)景距離的取值范圍都會(huì)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(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行描述，以天線導(dǎo)軌方向?yàn)?x軸方向，以導(dǎo)軌的水平垂直方向?yàn)?y軸方向建立二維直角坐標(biāo)系。接收陣列的孔徑長(zhǎng)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(gè)發(fā)射陣元，它們的坐標(biāo)分別為 ( 0. 7 m， 0 m) 、 ( 0 m， 0 m) 和 ( 0. 7 m， 0 m) 。目標(biāo)的參考中心到天線導(dǎo)軌的距離為 10m，相應(yīng)的坐標(biāo)為 ( 0 m， 10 m)。多散射點(diǎn)目標(biāo)包括 4個(gè)散射點(diǎn)，它們的坐標(biāo)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(hào)的中心波長(zhǎng)為 0. 03 m，帶寬為 200 MHz。利用標(biāo)準(zhǔn) BP 算法對(duì)上述 MIMO雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所錄取的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理，處理結(jié)果如圖 47所示。 圖 47 多散射點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn) 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(dá)成像技術(shù)的應(yīng)用背景，針對(duì) MIMO雷達(dá)的成像基礎(chǔ)問題、成像算法等進(jìn)行了深入的研究，并且對(duì)雷達(dá)正演做了模擬成像，主要內(nèi)容如下： 研究了 MIMO雷達(dá)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(dá)成像的數(shù)據(jù)獲取方式研究，證明多觀測(cè)通道效應(yīng)是 MIMO雷達(dá)實(shí)時(shí)成像的基本保障條件。 模擬了探底雷達(dá)正演的成像過程。設(shè)定目標(biāo)模型的對(duì)應(yīng)參數(shù)，利用 GprMax軟件對(duì)目標(biāo)體進(jìn)行二維建模。 研究了 MIMO雷達(dá)數(shù)字波束形成技術(shù)。如果能夠?qū)ο嗫仃嚴(yán)走_(dá)的波束形成及自適應(yīng)處理 技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)應(yīng)用于 MIMO 雷達(dá)中，則能夠提高目標(biāo)定位精度和多目標(biāo)分辨能力，并能夠更有效地抑制雜波和干擾。 研究了 MIMO 雷達(dá)成像 BP 算法?；?SAR BP 算法原理，導(dǎo)出了 MIMO 雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)BP 算法?？紤]到標(biāo)準(zhǔn) BP 算法的實(shí)現(xiàn)效率問題，提出了 MIMO 雷達(dá) TCCBP 算法，它是基于時(shí)延曲線校正的。結(jié)合 SAR RD算法，提出了 MIMO雷達(dá) RDBP 算法，它具有高于標(biāo)準(zhǔn) BP 算法和 TCCBP 算法的運(yùn)算效率。 從 MIMO雷達(dá)概念提出至今，人們對(duì) MIMO 雷達(dá)各方面關(guān)鍵技術(shù)的研究日趨深入，MIMO 雷達(dá)的多方面性能優(yōu)勢(shì)也 逐步得到證實(shí)。由于 MIMO 雷達(dá)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(shí)際問題需要進(jìn)一步深入研究： (1) 正交發(fā)射信號(hào)及其分選方法設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)適用于 MIMO 雷達(dá)成像技術(shù)的發(fā)射信號(hào)波形及其分選方法需要進(jìn)行研究。 (2) 雷達(dá)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(diǎn)，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(shí)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(jǐn)向他們表示衷心的感謝。 26 參考文獻(xiàn) [1] 王懷軍， MIMO雷達(dá)成像算法研究，博士學(xué)位論文，國(guó)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(shí)孔徑雷達(dá)譜域成像算法對(duì)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(dá)技術(shù)與應(yīng)用分析，雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)， 2020。 [4] 王懷軍、黃春琳、陸珉等， MIMO雷達(dá)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(dá)信號(hào)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] 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