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多输入多输出(multiple-input multiple-out,MIMO)雷达自从提出以来,受到了雷达研究人员的极大关注,使得MIMO雷达相关理论迅速完善,现有研究已表明MIMO雷达相比于相控阵雷达在目标探测、参数估计等方面具有明显优势。本文围绕机载MIMO雷达展开研究,主要工作和贡献为:(1)研究了MIMO雷达阵列结构及等效收发波束形成MIMO雷达阵列结构相比于相控阵雷达具有更大的灵活性,本文详细分析了MIMO雷达各种阵列结构,讨论了各种阵列结构的特点。采用模拟退火方法提出一种MIMO雷达稀疏阵优化方法。由于分子阵MIMO雷达的重要性,给出了分子阵发射MIMO雷达等效收发波束形成方法。如何公平对比MIMO雷达和相控阵雷达是一个重要话题,也是分析MIMO雷达是否具有优势的基础,本文推导了MIMO雷达和相控阵雷达波束形成后输出信噪比(signal to noise ratio, SNR)的关系,得到MIMO雷达与相控阵雷达公平对比的条件应设置如下:收发阵列的阵元个数应相同,且MIMO雷达在一个相干处理周期(coherent processing interval, CPI)发射相干脉冲个数应等于相控阵雷达发射相干脉冲个数乘以MIMO雷达发射的正交信号个数。(2)分子阵MIMO雷达杂波秩估计方法建立了机载MIMO雷达回波模型,讨论了杂波秩的概念及其重要性。由于分子阵MIMO雷达兼具了相控阵雷达和MIMO雷达的优势,同时能够降低产生正交信号及信号处理的系统复杂度,所以分子阵MIMO雷达更可能应用于工程中。本文提出了分子阵MIMO雷达杂波秩的估计方法,为分子阵MIMO雷达空时自适应处理(space time adaptive proccessing,STAP)算法设计提供了一定的理论依据。鉴于已有杂波秩估计方法对于MIMO稀疏阵的某些情况不再适用,本文给出了机载MIMO雷达稀疏阵杂波秩估计方法。(3)机载MIMO雷达降秩STAP算法介绍了机载雷达STAP算法基本原理,讨论了机载MIMO雷达降秩STAP算法,给出了机载MIMO雷达应用主分量法(principal component, PC)、互谱法(crossspectral metric, CSM)以及多级维纳滤波(multi-stage wiener filter, MSWF)三种降秩STAP算法的原理,并比较了机载MIMO雷达应用不同降秩STAP算法的性能。(4)机载MIMO雷达降维STAP算法讨论了空-时域STAP算法与变换域STAP算法的等价性,介绍了相控阵雷达中几种经典的STAP算法。由于MIMO雷达灵活的阵列配置和等效波束形成能力,传统相控阵雷达STAP算法难于直接应用于MIMO雷达中,基于局域化联合处理(joint domain localized, JDL)STAP算法,本文提出的MIMO雷达降维STAP的相邻辅助波束选择方法,可以应用于MIMO雷达紧凑布阵、部分稀疏布阵以及规则稀疏布阵三种情况。另外,由于分子阵MIMO雷达可看作是部分稀疏布阵的特例,所以该方法同样可应用于分子阵MIMO雷达中,本文讨论了子阵级MIMO雷达降维STAP算法的辅助波束选择算法。(5)一种波束域后多普勒降维STAP算法最佳辅助通道选择方法受CSM算法启发,提出一种最佳通道法(best channel method, BCM)算法,通过评估每个角度-多普勒通道对于输出信杂噪比(signal to clutter-noise ratio,SCNR)的影响,选择影响最大的若干角度-多普勒通道构成辅助通道来对消主通道中的杂波,使得本算法可以在给定辅助通道个数的情况下,可达到降维STAP算法的输出SCNR性能上界,通常仅需要3~5个辅助通道即能达到输出信杂噪比损失可忽略的程度,所以本算法还可以降低杂波协方差矩阵估计对样本数的要求。鉴于最佳通道法计算量相比于一般降维STAP算法较大,文中还提出了一种可能的算法实现方案。