MIMO體制雷達原理及關(guān)鍵技術(shù)分析

摘 要： 在對MIMO雷達的基本原理進行概述的基礎(chǔ)上，重點分析了MIMO雷達設(shè)計時所涉及的主要關(guān)鍵技術(shù)，對關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)的途徑及常用方法進行了討論和分析，最后提出了還需進一步研究的方向和主要內(nèi)容。

關(guān)鍵詞： MIMO雷達； 波形設(shè)計； 虛擬陣列； 天線布陣

中圖分類號： TN951?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）23?0001?03

Principle of MIMO system radar and analysis of its key technology

GAO Jian?ping

（Unit 92932 of PLA， Zhanjiang 524016， China）

Abstract： Based on overview of the basic principle of MIMO radar， the main key technologies involved in the radar design are analyzed. The approach and common methods to realize the key technologies are discussed. At last， the direction and main contents in the further research are given in this paper.

Keywords： MIMO radar； waveform design； dummy array； antenna embattle

0 引 言

MIMO（多輸入多輸出）技術(shù)主要應(yīng)用于通信系統(tǒng)。近年來，人們逐漸將該技術(shù)引入到雷達發(fā)展的研究當中。由于采用多個發(fā)射通道、多個接收通道，其目標探測能力、弱信號檢測能力、速度分辨率方面都由于傳統(tǒng)雷達。這使得它在目標的跟蹤、參數(shù)估計、目標識別、成像等相關(guān)領(lǐng)域有非常好的發(fā)展前景。

1 基本原理

MIMO雷達與傳統(tǒng)雷達設(shè)計的主要區(qū)別在于發(fā)射陣列和接收陣列不同。下面對其主要原理進行論述。

發(fā)射陣列在方位或俯仰方向都有[M]個數(shù)字收發(fā)單元，在空間每個子陣都在控制下，使信號相互正交，無法相干疊加成高增益的窄波束，相反，卻形成低增益的寬波束，這樣波束主瓣增益減小[M]倍，目標處的功率為傳統(tǒng)相控陣模式的[1M。]

MIMO雷達發(fā)射陣列在空間生成模式如圖1所示。

同樣，MIMO雷達接收時，也是寬波束接收， [N]個接收子陣接收[M]個發(fā)射子陣發(fā)射的疊加正交信號。為使信號匹配，需在每個接收子陣后接[M]個匹配濾波器。因此，[N]個接收陣列共有[N×M]個匹配濾波器，每個濾波器分別匹配于一個正交的發(fā)射波形，就可以恢復(fù)出由單個發(fā)射陣發(fā)射的信號，合成后在接收端形成等效發(fā)射波束，從而得到完整的回波信號。由于各發(fā)射和接收單元的數(shù)量、位置是已知的，在對匹配濾波器輸出的信號進行移相相加，便可以在一個或多個方向上形成聯(lián)合接收波束，用于后續(xù)目標檢測和跟蹤。

MIMO雷達接收原理如圖2所示。

圖1 MIMO雷達發(fā)射陣列模式圖

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 發(fā)射信號設(shè)計和波形優(yōu)化

2.1.1 發(fā)射信號設(shè)計

對于正交的發(fā)射信號，主要有三種：正交頻分復(fù)用線性調(diào)頻信號、正交多相編碼信號、正交多頻編碼信號。

（1）正交頻分復(fù)用線性調(diào)頻信號

該信號突出特點是通過匹配濾波器可以起到脈沖壓縮的作用，而且匹配濾波對回波信號的多普勒頻率不敏感。每個子載波通過不同通道發(fā)射，每個信號占用不同的頻帶，通過接收系統(tǒng)信號處理，可以得到寬帶效果，獲得高分辨率，如式（1）所示：[si（t）=rect（t）expj2πfit+12μt2， i=1，2，，M] （1）

式中：[rect（t）=1Te，][t≤Te2，][Te]為發(fā)射脈沖寬度；[fi=f0+cif]為第[i]個發(fā)射天線的發(fā)射載頻，[f]為頻率間隔，且[Tef=1，][f0]為中心載頻，[ci∈][0，±1，±2，，±M2]為發(fā)射信號頻率編碼；[μ]為線性跳頻信號的調(diào)頻斜率。

圖2 MIMO雷達接收陣列模式圖

（2）正交相位編碼信號

其特點是易于實現(xiàn)數(shù)字化處理，信號一般具有優(yōu)良的自相關(guān)性能；與線性調(diào)頻脈沖壓縮信號相比，不存在距離?多普勒耦合問題；而且具有良好的抗干擾性能。

[si（n）=ejφi（n），n=1，2，，N， i=1，2，，M] （2）

式中：[φi（n）（0≤φi（n）≤2π）]為第[i]個信號的第[n]個子脈沖的加載相位常數(shù)。

（3）正交多頻編碼信號

同正交多相編碼信號相似，各脈沖串信號子脈沖載頻規(guī)則地或隨機地跳變，只要跳變量足夠大，就可以使各子脈沖頻譜互不重疊，從而使各發(fā)射信號自相關(guān)函數(shù)的旁瓣大大降低。

[s（t）=n=1Nej2πfint， i=1，2，，M] （3）

式中：[fin]表示第[i]個信號的第[n]個子脈沖的調(diào)制頻率。調(diào)制序列[fi1， fi2，， fiN] 是[0，Δf，2Δf，…，（N-1）Δf]的任意排列，且[Δf=1TP。]

2.1.2 發(fā)射波形設(shè)計優(yōu)化

MIMO雷達之所以具有良好的工作性能，是基于有效正交波形的產(chǎn)生。波形設(shè)計具有很大的靈活性，好的波形不但可得到低自相關(guān)旁瓣，獲得高分辨力，還可以有效降低信號處理的復(fù)雜度。

目前波形設(shè)計方法主要有以下幾種：

（1）基于波束圖綜合的波形設(shè)計及優(yōu)化

對于MIMO雷達，發(fā)射信號的相關(guān)矩陣決定了信號的空間功率分布。當發(fā)射信號相互正交時，發(fā)射功率的空間分布為全向分布。因此，通過改變發(fā)射信號的相關(guān)矩陣就可以綜合任意波束圖。如何獲得信號的相關(guān)矩陣是該設(shè)計方法的關(guān)鍵部分，一般情況下選擇期望波束圖與綜合波束圖的功率差作為優(yōu)化目標，采用投影梯度搜索算法、遺傳算法等來進行優(yōu)化設(shè)計得到發(fā)射信號的相關(guān)矩陣。

（2）基于互信息量和最小均方誤差的波形設(shè)計及優(yōu)化

該問題就是在對發(fā)射信號進行約束的條件下，利用優(yōu)化算法設(shè)計最佳的發(fā)射信號，使得在發(fā)射信號確定的情況下，雷達接收通道接收的信號達到最大。一般情況下，約束條件會選擇雷達發(fā)射信號的功率，在此條件下，對由雜波的統(tǒng)計特性決定的協(xié)方差矩陣形成的子空間按照互信息量準則進行優(yōu)化設(shè)計從而得到期望的發(fā)射信號。

（3）自適應(yīng)波形設(shè)計方法

自適應(yīng)波形設(shè)計就是設(shè)計自適應(yīng)于目標的散射特性和雜波（包含噪聲和干擾）的環(huán)境，使得系統(tǒng)具有較強的雜波抑制能力，最大化接收端的信噪比，以提高目標的檢測性能。在目標的散射特性和雜波的統(tǒng)計特性已知的條件下，可以通過最大化目標接收端輸出的信噪比來設(shè)計發(fā)射波形；在僅知目標的統(tǒng)計特性時，可以將發(fā)射信號功率集中在提供較強回波的目標頻域部分，或者優(yōu)化發(fā)射信號使得雷達照射目標函數(shù)與目標的散射函數(shù)相匹配，來提高接收端的信噪比；在僅知雜波的統(tǒng)計特性時，可以通過最小化接收端雜波能量來設(shè)計發(fā)射波形。

2.2 天線布陣設(shè)計

由于發(fā)射陣和接收陣的設(shè)計特性，必須設(shè)計有別于傳統(tǒng)雷達的天線陣列。設(shè)計方法如下：

接收陣元對發(fā)射信號進行匹配濾波，形成同時多波束，從而產(chǎn)生比實際陣列數(shù)量多的虛擬陣元。如果采用收發(fā)同陣的布陣方式（收發(fā)陣元數(shù)為[M]），那么即使各發(fā)射信號正交，接收時所能形成的虛擬陣元的數(shù)目最多為[2M-1]個，而如果采用非均勻布陣方式，則形成的虛擬陣元的數(shù)目最多為[M2+M2。]如果收發(fā)分置，發(fā)射陣列為[M，]接收陣列為[N，]則形成的虛擬陣元數(shù)目最多為[M×N。]對于具有[M]個發(fā)射陣元，[N]個接收陣元，如果發(fā)射陣元間距為[dt=Ndr，]則其發(fā)射導(dǎo)向矢量式如式（4）所示：

[b（θ）=1，e-j2πλNdrsinθ，…，e-j2πλ（M-1）NdrsinθλT] （4）

接收導(dǎo)向矢量如式（5）所示：

[a（θ）=1，e-j2πλdrsinθλ，…，e-j2πλ（N-1）drsinθλT] （5）

則其形成的虛擬導(dǎo)向矢量如式（6）所示：

[c（θ）=1，…，ej2πλdr（N-1）sinθ，ej2πλdrNsinθ，…，ej2πλdr（N+N-1）sinθ，ej2πλdr2Nsinθ，…，ej2πλdr（NM-1）sinθT] （6）

由此看出，無論是發(fā)射陣元的稀布還是接收陣元的稀布，均可等效出比實際陣元數(shù)量多的虛擬陣元。同時，由于陣元稀布所帶來的方向圖副瓣的提高目前還沒有很好的解決方法。因此，目前仍采用收發(fā)同陣的布陣方式作為該體制雷達天線系統(tǒng)研究的主要方向。

2.3 脈沖綜合技術(shù)

脈沖綜合，也稱為空時匹配濾波處理。由于空間目標回波進行時域匹配濾波時，濾波器系數(shù)與方向有關(guān)，在進行“脈沖壓縮”處理時，先對信號進行時域濾波處理。如圖3所示，在接收通道，接收信號經(jīng)過[MN]個匹配濾波器后，共形成[MN]個輸出信號。然后對每個接收單元得到的[M]路輸出進行移相求和處理，實現(xiàn)等效發(fā)射波束的形成，再對各接收陣元的[N]路輸出進行移相求和處理，形成多個高增益的接收波束，多波束將覆蓋發(fā)射波束所照射的空域范圍。當然，接收波束的形成也可以在匹配濾波之前，先對所有的接收信號進行接收波束的形成，然后再進行匹配濾波，匹配濾波完成后再進行發(fā)射波束的形成，其最后結(jié)果和上述的方法得到的結(jié)果完全相同，但是兩種處理方法的計算量有很大的差別，波束同時形成的運算量較大，但是需要的數(shù)據(jù)存儲量較小。

圖3 MIMO雷達同時多波束形成示意圖

3 結(jié) 語

目前，MIMO雷達技術(shù)的研究結(jié)果主要集中在對其體制、機理、檢測性能、參數(shù)估計以及發(fā)射波形設(shè)計等方面，模型都比較簡單，基本沒有考慮目標運動、多徑影響等實際情況。因此，在未來的研究中更應(yīng)該側(cè)重解決實際問題。另外，由于該體制雷達起步不久，還需對發(fā)射的波形產(chǎn)生、優(yōu)化、降低算法計算復(fù)雜度等方面做更多研究。

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