MIMO雷達(dá)兩種不同波束形成結(jié)構(gòu)的比較

一、引言

借鑒在通信領(lǐng)域取得巨大成功的多輸入多輸出（MIMO，multiple input multiple output）技術(shù)，MIMO雷達(dá)的提出受到了廣泛的關(guān)注，與傳統(tǒng)雷達(dá)相比，MIMO雷達(dá)在低截獲、弱目標(biāo)檢測、參數(shù)估計(jì)精度、雜波抑制、抗干擾等方面具有明顯優(yōu)勢，近年來成為學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。

二、MIMO雷達(dá)波束形成兩種不同結(jié)構(gòu)

MIMO雷達(dá)的波束形成有兩種形式：一種是先匹配濾波再波束形成，另一種則是先波束形成再匹配濾波，下面介紹這兩種形式。

假設(shè)MIMO雷達(dá)中有M個(gè)發(fā)射陣元和N個(gè)接受陣元，先匹配濾波后波束形成的結(jié)構(gòu)如圖1所示：

MIMO雷達(dá)波束形成的另一種結(jié)構(gòu)：先對N個(gè)接收通道進(jìn)行波束形成，然后再進(jìn)行匹配濾波，最后得到輸出結(jié)果。先波束形成后匹配濾波的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

三、MIMO雷達(dá)有源干擾自由度

自由度是MIMO雷達(dá)信號(hào)處理中的一個(gè)十分重要的概念[4]。一個(gè)采用兩個(gè)加權(quán)系數(shù)的2元陣，可以設(shè)計(jì)權(quán)系數(shù)，使MIMO雷達(dá)在1個(gè)需要信號(hào)方向得到最大響應(yīng)，或者在1個(gè)干擾方向產(chǎn)生零點(diǎn)，此時(shí)MIMO雷達(dá)的自由度為1。采用M個(gè)加權(quán)的M元陣，有（M-1）個(gè)自由度，MIMO雷達(dá)對干擾的抑制就是使得陣列方向圖在干擾方向形成零陷。而干擾自由度就是干擾協(xié)方差矩陣中遠(yuǎn)大于噪聲功率的特征值個(gè)數(shù)。

對有源干擾自由度影響的仿真驗(yàn)證，假設(shè)MIMO雷達(dá)為4個(gè)陣元發(fā)射4個(gè)相互正交的信號(hào)，干擾個(gè)數(shù)1個(gè)。干噪比為：10dB，采樣次數(shù)500，在兩種波束形成結(jié)構(gòu)下分別計(jì)算得到干擾協(xié)方差矩陣，對其進(jìn)行特征值分解，得到特征值如下：模式1：[4.01740.00100.00100.00100.0010]模式2：[4.13683.96473.68753.55320.0011 0.00100.0007]。

由于先匹配濾波的結(jié)構(gòu)使通道數(shù)增加為4個(gè)，干擾協(xié)方差維數(shù)增大4倍。

假設(shè)空間中存在k個(gè)有源干擾。在先波束形成然后匹配濾波的結(jié)構(gòu)下，有源干擾自由度等于有源干擾個(gè)數(shù)k。在先匹配濾波然后波束形成的結(jié)構(gòu)下，每個(gè)接收信號(hào)后都要接M個(gè)匹配濾波器，以分離不同的發(fā)射信號(hào)，共得到M×N個(gè)輸出，再對這M×N個(gè)輸出進(jìn)行波束形成，有源干擾自由度為kM。由于通道數(shù)的不同，有源干擾自由度在兩種結(jié)構(gòu)下是等效的，即匹配濾波器不會(huì)影響信號(hào)處理的有源干擾自由度。

四、總結(jié)

本文論述了MIMO雷達(dá)的波束形成的兩種不同結(jié)構(gòu)，給出了他們的輸出結(jié)果并證明其實(shí)完全一致的。又從有源干擾自由度的角度論證了這兩種結(jié)構(gòu)的一致性。但是由于先匹配濾波后波束形成這種結(jié)構(gòu)會(huì)增加MIMO雷達(dá)的通道數(shù)，導(dǎo)致計(jì)算量增加，所以建議在實(shí)際應(yīng)用中采用先波束形成再匹配濾波的結(jié)構(gòu)。