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多输入多输出(MIMO)雷达是近年来备受关注的一种新型雷达技术。该体制雷达综合利用天线阵列空间分集和波形分集的特点,能够获得远多于实际天线数目的等效观测通道和空间自由度,在目标检测、参数估计、成像识别以及抗干扰等方面具有优于传统体制雷达的总体性能。基于以上认识,MIMO技术与合成孔径雷达(SAR)相结合,为解决常规SAR面临的方位向高分辨率与宽测绘带指标相互矛盾以及场景中慢速运动目标难以检测等实际问题提供了更为有效的技术途径。经过多年的理论探索和实验研究,国内外学者对于MIMO雷达的基本概念、系统组成、信号处理方法以及性能评估等已经进行了深入的研究,然而基于MIMO雷达技术的SAR成像以及动目标检测(GMTI)技术还很少涉及。为解决常规SAR的固有体制约束问题,论文围绕MIMO-SAR系统概念、理论模型、高分辨率宽测绘带成像以及运动目标检测方法等关键问题开展研究,主要工作概括如下:第一章:概述了MIMO雷达概念、分类以及其在成像领域的应用;综述了MIMO-SAR系统概念、研究历史及现状,归纳和总结了MIMO-SAR的若干关键技术问题。第二章:介绍了MIMO SAR成像的基础理论。首先从虚拟阵列概念出发分析了MIMO-SAR阵列特性,从理论上阐述了MIMO雷达的体制优势;介绍了收发分置天线等效相位中心概念,推导了等效相位误差补偿的公式;以方位向多天线MIMO-SAR为例,阐述了系统数据获取方式、回波数据表示以及成像策略等;针对MIMO-SAR同时发射多波形的特点,阐述了信号正交原理,讨论了回波信号分离策略和分离方法,并通过仿真实验分析了信号正交性对SAR成像性能的影响;本章最后从雷达方程角度,推导了MIMO-SAR雷达方程。第三章:MIMO-SAR多天线、多波形的特点,使得常规SAR分辨特性分析方法难以直接应用于该系统,迫切需要探索新的度量工具和分析方法。本章建立了MIMO-SAR系统回波信号的数学模型,提出了基于广义模糊函数(GAF)的MIMO-SAR分辨特性分析方法。理论分析和实验结果表明:MIMO-SAR系统广义模糊函数可分解为MIMO阵列空间模糊函数与常规单站SAR模糊函数的乘积形式,系统分辨率不仅取决于发射波形的带宽和合成孔径长度,还与发射/接收天线的阵列流形密切相关。第四章:良好性能的波形集是MIMO雷达性能提升的基础,采用什么样的正交策略、什么样的调制方式对系统性能有着重要影响。适用于合成孔径雷达的波形需要具备以下特点,即大时宽-带宽积、常模、较高的多普勒容限、易于产生和处理等。综合MIMO雷达和SAR系统对波形的性能要求,本章提出了两种基于OFDM信号体制的正交波形集,主要内容包括:(1)提出了基于交叉子载频的OFDM正交波形集(I-OFDM),阐述了波形集调制、解调以及优化设计方法,分析了波形集相关函数以及模糊特性等;(2)为了克服频域交叉波形设计方法只能生成两个正交波形的缺点,利用OFDM信号子载频之间固有的正交性,通过随机抽取OFDM若干子载频信号组成新的波形,从而生成一组正交波形集,称为基于随机子载频的OFDM正交波形集(R-OFDM);(3)提出了一种基于蒙特卡洛思想的R-OFDM信号优化设计方法,获得了具有良好自相关和互相关特性的R-OFDM波形集。第五章:针对常规SAR面临的方位向分辨率与测绘带宽相互制约的问题,本章提出了基于方位向多天线MIMO-SAR的解决方案。该方案的基本思想是:系统首先采用低脉冲重复频率确保测绘带宽内不发生距离模糊,再通过对所有收发组合数据进行联合相参处理,利用回波信号包含的空间信息恢复出方位向不模糊的多普勒频谱。主要内容包括:(1)建立了方位向多天线MIMO-SAR信号模型,分析了不同收发组合回波信号之间的相位关系,为方位向频谱重构奠定了理论基础;(2)提出了基于迭代自适应算法(IAA)的方位向多普勒频谱重构方法,研究表明该类方法具有收敛速度快、重构精度高、计算量小等优点;(3)提出了方位向多天线MIMO-SAR综合成像策略,实现了高分辨率宽测绘带SAR成像。第六章:针对常规SAR难以实现场景中慢速运动目标检测的问题,本章提出了基于方位向多天线MIMO-SAR的解决方案。主要内容包括:(1)建立了MIMO SAR成像模式下运动目标的回波模型,分析了运动目标以及静止杂波的信号特性,为利用自适应阵列技术抑制杂波奠定了理论基础;(2)将阵列信号处理的理论和方法引入到MIMO-SAR动目标检测问题中,提出了基于MIMO-SAR图像的自适应运动目标检测方法;(3)运动目标径向速度反映在阵列空域导向矢量中,目标径向速度估计转化为目标回波信号的空间谱估计问题。基于该认识,本文提出了基于IAA算法的径向速度估计方法。第七章:总结了全文工作,并提出了若干需要进一步研究的问题。综上,论文以近年来广受关注的MIMO体制合成孔径雷达为研究对象,在系统概念、理论模型、波形设计、高分辨率宽测绘带成像以及运动目标检测等方面进行了初步探索。本文的研究成果将进一步丰富SAR理论体系,对认识、理解以及设计MIMO-SAR系统都有一定的参考价值。