MIMO雷达认知波形设计理论与方法

大量电子设备的使用与复杂非均匀时变的地理环境，雷达工作环境日趋复杂，严重影响了微弱目标的探测性能。相比传统相控阵雷达，认知多输入多输出（MIMO）雷达可依据不同探测环境与任务需求，控制发射波形，按需分配空域能量，灵活设计发射波束，并在接收端进行回波分离处理，能够有效提升复杂电磁环境下杂波和干扰的抑制能力，已成为当前雷达领域研究的国际前沿与热点。本书较为系统、深入地论述了MIMO雷达认知波形设计理论与方法，主要包括正交认知波形设计、MIMO雷达认知发射波束赋形、MIMO雷达认知发射-接收联合设计等。本书概念阐述清楚、内容较为丰富、系统性强。本书介绍了认知MIMO雷达的基本概念、MIMO雷达认知波形设计建模、优化理论和仿真实验等;重点研究了MIMO雷达下基于局部加权自与互相关积分/峰值旁瓣电平准则的正交波形设计、基于方向图积分/峰值旁瓣电平或者模板匹配误差准则的空时发射波束赋形以及基于信干噪比准则的空时发射-接收联合设计等技术。其中，大部分内容是作者近年来在该领域的最新成果。

目 录 符 号 表 XⅡ 缩略词表 XⅣ 第1章 研究背景与现状 1 1.1 研究背景与意义 2 1.2 研究动态与发展现状 4 1.2.1 MIMO雷达发射波束赋形 5 1.2.2 良好自/互相关特性的MIMO雷达波形优化设计 7 1.2.3 信号无关干扰下的MIMO雷达波形优化设计 8 1.2.4 信号相关干扰下的MIMO雷达发射或（与）接收处理方法 8 1.2.5 MIMO系统多功能一体化波形优化设计 10 本章参考文献 12 第2章 MIMO雷达认知波形设计理论架构 25 2.1 MIMO雷达基本概念 26 2.1.1 MIMO雷达的分类 26 2.1.2 MIMO雷达的特点 32 2.2 MIMO雷达认知波形设计理论架构 36 2.2.1 MIMO雷达认知框架 36 2.2.2 MIMO雷达波形设计准则与约束 37 2.2.3 非凸约束优化理论介绍 38 本章参考文献 41 第3章 MIMO雷达正交波形设计 43 3.1 基于经典波形的正交波形设计 44 3.1.1 基于OFDM和LFM的正交波形设计 44 3.1.2 基于白噪声波形的正交波形簇设计 46 3.1.3 基于NLFM波形的正交波形簇设计 47 3.1.4 基于经典波形的正交波形性能分析 50 3.2 基于WISL准则的正交波形设计 52 3.2.1 基于WISL准则的正交波形建模 53 3.2.2 正交波形设计算法 53 3.2.3 基于WISL准则的正交波形簇设计 65 3.3 本章小结 72 本章参考文献 72 第4章 MIMO雷达窄带发射波束赋形 75 4.1 基于波形相似性约束的MIMO雷达发射波束赋形 76 4.1.1 相似性约束下的MIMO雷达发射波束优化建模 76 4.1.2 基于CD算法的窄带MIMO雷达波形设计算法 80 4.1.3 性能分析 83 4.2 基于波形频谱约束的MIMO雷达发射波束赋形 89 4.2.1 频谱约束下的MIMO雷达发射波束优化建模 89 4.2.2 基于SADMM的窄带MIMO雷达波形设计算法 92 4.2.3 性能分析 99 4.3 本章小结 103 本章参考文献 104 第5章 MIMO雷达宽带发射波束赋形 107 5.1 基于波形恒模约束的宽带MIMO雷达发射波束赋形 108 5.1.1 恒模约束下的宽带MIMO雷达发射波束优化建模 108 5.1.2 基于NIOA的宽带MIMO雷达波形设计算法 110 5.1.3 性能分析 115 5.2 基于波形变模约束的宽带MIMO雷达发射波束赋形 119 5.2.1 变模约束下的宽带MIMO雷达发射波束优化建模 119 5.2.2 基于NSADMM的宽带MIMO雷达波形设计算法 121 5.2.3 性能分析 127 5.3 本章小结 133 本章参考文献 134 第6章 MIMO雷达快时间发射波形设计 137 6.1 MIMO雷达信号相关杂波下的SINR准则 138 6.2 MIMO雷达快时间稳健发射波形设计 140 6.2.1 基于最大化最坏SINR雷达稳健波形设计模型 141 6.2.2 基于CD算法的MIMO雷达稳健波形设计算法 143 6.2.3 基于DA-CD算法的MIMO雷达稳健波形设计算法 147 6.2.4 MIMO雷达稳健设计算法性能分析 151 6.3 MIMO雷达快时间一体化发射波形设计 160 6.3.1 MIMO雷达快时间一体化发射波形模型 160 6.3.2 基于SBE-DSADMM的一体化信号设计算法 165 6.3.3 MIMO雷达快时间一体化波形设计性能分析 170 6.4 本章小结 177 本章参考文献 177 第7章　MIMO雷达快时间发射与接收联合设计 181 7.1 MIMO雷达快时间发射与接收滤波器组联合设计模型 182 7.2 基于SDP-RA的MIMO雷达发射与接收滤波器联合设计 184 7.2.1 算法描述 185 7.2.2 计算复杂度分析 187 7.3 基于NSDP-RA的MIMO雷达发射与接收滤波器联合设计 187 7.3.1 算法描述 188 7.3.2 计算复杂度分析 190 7.4 性能分析 190 7.4.1 恒模约束波形 191 7.4.2 恒模约束和相似性约束波形 192 7.4.3 波形特性和脉冲压缩 194 7.5 本章小结 196 本章参考文献 196 第8章　MIMO雷达慢时间发射与接收联合设计 199 8.1 MIMO雷达动目标回波模型 201 8.2 基于波形恒模与相似性约束的MIMO雷达发射与接收联合设计 203 8.2.1 恒模约束下的MIMO雷达发射与接收联合设计建模 203 8.2.2 基于BCD算法的MIMO雷达发射与接收联合设计算法 205 8.2.3 性能分析 207 8.3 基于波形变模与相似性约束的MIMO雷达发射与接收联合设计 214 8.3.1 变模约束下的MIMO雷达发射与接收联合设计建模 214 8.3.2 基于SGO的MIMO雷达发射与接收联合设计算法 215 8.3.3 性能分析 223 8.4 基于STAP的慢时间稳健发射和接收联合设计 228 8.4.1 杂波特性 228 8.4.2 STAP原理 229 8.4.3 杂波多普勒与其空间频率的关系 229 8.4.4 STAP中稳健的恒模序列设计与处理 230 8.5 本章小结 238 本章参考文献 238 第9章　MIMO雷达与通信共存波形设计 241 9.1 MIMO雷达与MIMO通信共存系统发射设计 242 9.1.1 系统模型 242 9.1.2 问题描述与求解 243 9.1.3 性能分析 248 9.2 MIMO雷达MIMO通信共存系统收发联合设计 250 9.2.1 系统模型 250 9.2.2 雷达系统模型 251 9.2.3 通信系统模型 254 9.2.4 问题描述与求解 255 9.2.5 性能分析 268 9.3 频谱共存下MIMO雷达正交波形设计 275 9.3.1 信号模型 275 9.3.2 基于IADPM的频谱共存正交波形设计算法 278 9.3.3 性能分析 284 9.4 频谱共存下MIMO雷达快时间发射与接收联合设计 287 9.4.1 MIMO雷达多目标回波模型 288 9.4.2 MIMO雷达快时间发射与接收联合设计模型 289 9.4.3 基于NICE算法的MIMO雷达发射与接收滤波器 组联合设计算法 292 9.4.4 基于NMICE算法的MIMO雷达发射与接收滤波器组 联合设计算法 297 9.4.5 性能分析 298 9.5 本章小结 304 本章参考文献 305 第10章　MIMO探通一体化系统多功能波形设计 308 10.1 基于预编码矩阵通信调制的探通一体化波形设计 309 10.1.1 基于预编码矩阵调制的MIMO探通一体化系统架构 309 10.1.2 基于ADMM的一体化加权矩阵设计 314 10.1.3 性能分析 321 10.2 基于空间频谱能量调制的探通一体化波形设计 327 10.2.1 系统模型 327 10.2.2 问题描述 330 10.2.3 基于SBE-DSADMM算法的探通一体化波形设计 332 10.2.4 性能分析 337 10.3 本章小结 342 本章参考文献 343 附录 347 附录A ROQO算法收敛性证明 348 附录B 问题（5.53）等价变换为 实值优化形式 349 附录C　问题（5.66）的最优解求解方法 350 附录D SADMM收敛性证明 352 附录E　问题（6.20）目标函数分子与分母的最优解 354 附录F 问题（6.95）的构建 355 附录G 优化问题（6.97）的凸逼近 357 附录H 求解问题（6.99）的ADMM过程 359 附录I 式（8.34）与式（8.35）的推导 361 附录J 问题（8.53）目标函数的 等价变换 362 附录K 问题（8.80）的闭式解 求解方法 363 附录L 求解问题（8.53）的DA 收敛性分析 365 附录M 问题（9.73）目标函数的 等价变换证明 367 附录N　问题（9.82）等价变换证明 369 附录O 算法9.4的收敛性分析 371 附录P IADPM收敛性证明 373 附录Q NICE算法的收敛性分析 376 附录R　优化问题（10.89）和 优化问题（10.90）的等价证明 381 附录S 优化问题（10.92）的构建 383 附录T　优化问题（10.94）的凸逼近 385 附录U　求解问题（10.97）的ADMM过程 387 附录V DSADMM的收敛性证明 391 附录W　求解问题（10.89）初始 可行点 395