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目标定位技术在现代生活中起着越来越重要的作用。在军事领域，空中目标侦查，制导，追踪和打击离不开精确的目标定位技术。民用方面，陆地车辆导航，城市搜救系统，商场导购等也很大程度依赖于精确的目标定位技术。但是，目标所处的环境通常复杂多变，天线的接收信号中包含多条多径反射信号。因此，如何在复杂多径环境中实现目标的高精度定位是目前学术界和工业界普遍关注的问题。
过去的研究多集中于尽量避免多径以及利用各种措施来消除或减弱多径信号对目标位置估计精度的影响。但是，在建筑密布的城区或者地形复杂的山地，多径信号杂且多，传统方法受到了很大的挑战。近年来，时间反转技术(TR)被证明可以利用无线信道的的互异性，自适应补偿和修正多径信号造成的干扰，使得时间反转探测信号在目标位置处聚焦，从而增加照射目标的能量，提高了定位性能。区别于传统方法，本论文利用时间反转技术自适应处理多径信号，针对多径环境中高精度目标定位问题展开研究。
1.我们探索了一种典型的低空目标多径环境，建立了复杂地形条件下低空目标的回波模型。首先针对低空目标探测问题，研究了复杂漫反射条件下直达波与多径信号的入射角度范围。然后根据阵列信号处理理论，利用上述多径与直达波的入射角度分布，建立阵列接收信号的一次回波模型。根据TR原理，对一次回波进行傅里叶变换(FFT)、频域共轭以及能量归一化处理得到TR发射信号。最后利用所得TR发射信号，根据TR的自适应聚焦原理建立TR回波模型。该模型的建立为使用TR技术解决信号处理经典问题如高精度测角、检测等奠定了基础。
2.研究了基于TR技术的低空目标高精度测角方法。该方法首先针对低角探测中，目标的直达波入射角、镜面反射入射角、漫反射入射角、综合反射系数(包含镜面反射系数，发散因子和表面粗糙度因子)进行研究。其次，在米波背景下，提出一种基于TR技术的目标高精度定位方法。具体来说，本方法采用空间平滑技术降低直达波信号与多径信号的相干性。通过TR技术，根据一次接收回波自适应调整TR探测波形，从而提高TR接收信号的信噪比。同时，针对TR探测信号为宽带信号的特点，本方法采用相干信号处理算法将宽带信号聚焦到一个预定义的频率空间，从而最大化接收信号的时宽带宽积，提高了角度分辨率。最后，本文推导了该估计方法的克拉美罗(CRB)界，并用计算机仿真验证了新方法在处理多径干扰，提高目标定位精度等方面的有效性以及正确性。
3.针对TR探测信号多为宽带信号特点，研究了基于频域分析的低空目标定位算法。首先，在宽带接收信号条件下，目标方位与信号频率会产生模糊，从而影响基于导向矢量的目标估计方法精度，如波束形成，MUSIC等。因此，本文提出一种基于虚拟时延插入的方法，解决了目标方位与信号频率的模糊问题。其次，我们分析了噪声子空间与频率的独立性，从而减少了目标估计过程中接收信号协方差矩阵分解的次数，大大提高了算法的运行效率。传统基于TR技术的算法中，多假设无线信道稳定不变，因而TR传播信号可以在目标位置处聚焦。然而实际中，这一假设并不能严格保证。因此，本文在接收信号模型中引入随机扰动因子用来表征环境变化。同时，利用波束域恒定波束形成权矩阵降低该扰动对目标估计精度的影响，提出一种基于波束域恒定波束形成的高精度定位算法。仿真实验证明了本方法在计算复杂度，解方位频率模糊、对环境扰动的自适应性以及估计精度方面的优越性。
4.探索了城市环境中，基于TR技术与5G大规模天线技术的目标定位算法。不同于低空目标反射模型，城市目标如家用汽车，手机等多通过自身的接收天线，接收来自周围基站的信号从而实现定位。同时，物理上的时间反转需要二次发射和接收处理，这极大的限制了以时间反转技术为基础的相关算法的适用性。本文针对城市目标，首先建立了基于5G大规模天线技术的接收信号模型，其次，证明了物理上的时间反转与接收信号在空域自相关的等价性。因而，本方法利用接收信号的自相关代替实际的时间反转过程，提出了一种基于接收信号自相关以及5G基站分布的高精度目标移动方向估计算法。最后，我们探索了接收信号自相关函数的能量分布与基站位置之间的关系。基于基站位置的先验信息，本文提出了一种高精度目标定位方法。在强多径反射信号情境中，该方法最好可以达到厘米级精度和不低于分米级的精度。
在论文的最后，我们给出了全文总结，并对课题的未来进行了展望。
过去的研究多集中于尽量避免多径以及利用各种措施来消除或减弱多径信号对目标位置估计精度的影响。但是，在建筑密布的城区或者地形复杂的山地，多径信号杂且多，传统方法受到了很大的挑战。近年来，时间反转技术(TR)被证明可以利用无线信道的的互异性，自适应补偿和修正多径信号造成的干扰，使得时间反转探测信号在目标位置处聚焦，从而增加照射目标的能量，提高了定位性能。区别于传统方法，本论文利用时间反转技术自适应处理多径信号，针对多径环境中高精度目标定位问题展开研究。
1.我们探索了一种典型的低空目标多径环境，建立了复杂地形条件下低空目标的回波模型。首先针对低空目标探测问题，研究了复杂漫反射条件下直达波与多径信号的入射角度范围。然后根据阵列信号处理理论，利用上述多径与直达波的入射角度分布，建立阵列接收信号的一次回波模型。根据TR原理，对一次回波进行傅里叶变换(FFT)、频域共轭以及能量归一化处理得到TR发射信号。最后利用所得TR发射信号，根据TR的自适应聚焦原理建立TR回波模型。该模型的建立为使用TR技术解决信号处理经典问题如高精度测角、检测等奠定了基础。
2.研究了基于TR技术的低空目标高精度测角方法。该方法首先针对低角探测中，目标的直达波入射角、镜面反射入射角、漫反射入射角、综合反射系数(包含镜面反射系数，发散因子和表面粗糙度因子)进行研究。其次，在米波背景下，提出一种基于TR技术的目标高精度定位方法。具体来说，本方法采用空间平滑技术降低直达波信号与多径信号的相干性。通过TR技术，根据一次接收回波自适应调整TR探测波形，从而提高TR接收信号的信噪比。同时，针对TR探测信号为宽带信号的特点，本方法采用相干信号处理算法将宽带信号聚焦到一个预定义的频率空间，从而最大化接收信号的时宽带宽积，提高了角度分辨率。最后，本文推导了该估计方法的克拉美罗(CRB)界，并用计算机仿真验证了新方法在处理多径干扰，提高目标定位精度等方面的有效性以及正确性。
3.针对TR探测信号多为宽带信号特点，研究了基于频域分析的低空目标定位算法。首先，在宽带接收信号条件下，目标方位与信号频率会产生模糊，从而影响基于导向矢量的目标估计方法精度，如波束形成，MUSIC等。因此，本文提出一种基于虚拟时延插入的方法，解决了目标方位与信号频率的模糊问题。其次，我们分析了噪声子空间与频率的独立性，从而减少了目标估计过程中接收信号协方差矩阵分解的次数，大大提高了算法的运行效率。传统基于TR技术的算法中，多假设无线信道稳定不变，因而TR传播信号可以在目标位置处聚焦。然而实际中，这一假设并不能严格保证。因此，本文在接收信号模型中引入随机扰动因子用来表征环境变化。同时，利用波束域恒定波束形成权矩阵降低该扰动对目标估计精度的影响，提出一种基于波束域恒定波束形成的高精度定位算法。仿真实验证明了本方法在计算复杂度，解方位频率模糊、对环境扰动的自适应性以及估计精度方面的优越性。
4.探索了城市环境中，基于TR技术与5G大规模天线技术的目标定位算法。不同于低空目标反射模型，城市目标如家用汽车，手机等多通过自身的接收天线，接收来自周围基站的信号从而实现定位。同时，物理上的时间反转需要二次发射和接收处理，这极大的限制了以时间反转技术为基础的相关算法的适用性。本文针对城市目标，首先建立了基于5G大规模天线技术的接收信号模型，其次，证明了物理上的时间反转与接收信号在空域自相关的等价性。因而，本方法利用接收信号的自相关代替实际的时间反转过程，提出了一种基于接收信号自相关以及5G基站分布的高精度目标移动方向估计算法。最后，我们探索了接收信号自相关函数的能量分布与基站位置之间的关系。基于基站位置的先验信息，本文提出了一种高精度目标定位方法。在强多径反射信号情境中，该方法最好可以达到厘米级精度和不低于分米级的精度。
在论文的最后，我们给出了全文总结，并对课题的未来进行了展望。