一種新的MIMO雷達動目標檢測方法

李國強

摘 要：針對MIMO雷達的動目標顯示（MTI）特性，通過與傳統單延時對消方法對比，采用雙延時對消和變T技術處理盲速的方法進行動目標檢測。最后對比仿真實驗結果證明，在動目標檢測中使用雙延遲線對消和變T技術處理盲速的方法，能夠更好地提取雜波中的運動目標。

關鍵詞：MIMO雷達 動目標顯示（MTI） 延時對消

中圖分類號：S763 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（a）-0018-02

多輸入多輸出（MIMO）雷達是近幾年發展起來的一種新體制雷達。通常將MIMO雷達分為兩大類：一類是共置MIMO雷達，這類雷達系統的發射陣元間距很小，發射機從同一個角度照射目標，通過波形分集提高雷達系統性能；另一類是統計MIMO雷達，這類雷達發射陣元間距分散開，利用多個不同方位的雷達發射信號，較好地克服了目標RCS的角閃爍所帶來的性能損失，獲得較大的空間分集增益，能夠根據多普勒頻移解決慢目標的檢測問題，而且能夠克服帶寬的限制，實現更高精度的目標定位[1]。由于雷達天線接收到的信號除了感興趣的目標回波以外，還包括接收機的噪聲、以及各種雜波。

因此，當雜波和運動目標回波同時被接收時，會使目標的觀測顯得困難。一方面，如果目標回波信號混疊在強干擾雜波中，不可能完成自動門限信號檢測。即使目標回波信號與干擾雜波處在不同的距離、方位和仰角上，雜波背景也會影響雜波鄰近目標回波信號的分辨；另一方面，如果雷達終端采用自動檢測和數據處理系統，則由于大量雜波的存在，將引起終端過載或不必要地增加系統的容量和復雜性。因此，無論從抗干擾或改善雷達工作質量的觀點來看，選擇運動目標回波而抑制雜波背景很重要?？梢詮乃俣鹊牟顒e上來區分運動目標和雜波。由于運動速度不同而引起回波信號頻率產生的多普勒頻移不相等，這就可以從頻率上區分不同速度目標的回波[2]。因此，本文將討論后一種類型的MIMO雷達中MTI問題。

1 目標多普勒頻移及雜波功率譜

MIMO雷達在發射端共有M個以較大距離分布的發射基地，同時發射M個相互正交的信號，接收端共有N個接收基地，且分布距離也較大。在每個接收端，發射機利用信號的正交性分離來自不同發射的回波，這樣在每個接收端形成了M個獨立的信號通道，整個系統就形成了MN個獨立的信號通道，且每個信號通道相當于一部等效的雙基地雷達[3]。假如發射端發射的M個信號的波長λ相同，脈沖重復頻率相等，那么第k（k=1，2，…，MN）個通道（或第k部等效雷達）的多普勒頻移為：

（1）

式中，為第k部等效雷達的雙基地角，為第k部等效雷達角平分線與X軸的夾角。對雜波而言，除孤立的建筑物等可認為是固定點目標外，大部分雜波均屬于分布雜波且包含內部運動，當天線不掃描時，固定雜波的功率譜是位于

位置上的離散譜線。當天線掃描時，由于雜波內部的運動是雜亂無章、無方向性的，所以每部等效雷達的雜波譜的展寬可認為是一致的，即每部等效雷達的雜波功率譜用高斯函數表示為：

式中，是雜波的平均功率；為雜波的平均多普勒頻率；為雜波功率譜的標準偏差。與雜波速度的標準偏差的關系為：

（3）

式中的值只與雜波內部起伏運動的程度有關，其量綱和速度的量綱相同。

2 MIMO雷達MTI基本原理

MTI（運動目標顯示）的本質含義：基于回波多譜勒信息的提取而區分為運動目標和固定目標。當固定目標、地雜波與運動目標處于同一距離單元時，前者的回波通常比較強，以至于運動目標的回波被“淹沒”其中，故必須設法區分二者。因固定目標回波中的多譜勒頻率為零，慢速運動的雜波中所含的多譜勒頻移也集中在零頻附近，它們的回波經相位檢波后，輸出信號的相位將不隨時間變化或隨時間作緩慢變化，反映在幅度上則為其幅度不隨時間變化或隨時間作緩慢變化。相反，運動目標回波經相位檢波后，因其相位隨時間變化較大，反映在幅度上則為其幅度隨時間變化較快。因此，若將同一距離單元在相鄰重復周期內的相檢輸出作相減運算，則固定目標回波將被完全對消，慢速雜波也將得到很大程度衰減，只有運動目標得以保留。顯然這樣便可將固定目標、慢速雜波與運動目標區別開來。這就是MTI對消的基本原理[4]。

2.1 單延時對消

單延時對消也稱一次對消，一次對消器是通過時域濾波來抑制零頻的靜止雜波，MIMO雷達MTI處理是在各通道單獨完成的，待每個通道各自做完對消處理，再綜合各通道的能量。

2.2 雙延時對消

單延時線對消器的幅頻響應在零頻附近抑制雜波的零值區寬度可能達不到要求，一次延時對消器的輸出再加上另一個延時對消器如圖2，在其抑制雜波的凹口就能加寬，此結構稱為雙延時對消，或簡稱二次對消。

2.3 變T技術

當時，對消器輸出為零，即當時，運動目標在對消器輸出端無信號輸出。這里當即時，對應的固定目標無輸出，這是所希望的。與此同時徑向速度為零的動目標回波也會被抑制，這是不可避免的。但在時，具有這些多譜勒頻率（）的目標，在對消器輸出端也沒有輸出，因此稱對應這些多譜勒頻率的目標徑向運動速度為盲速，記為，即：

（10）

可見盲速是目標在一個重復周期的位移恰好等于（或其整數倍）的速度。這時相鄰周期重復周期的回波初相位差。是（或其整數倍），所以從MTI雷達相位檢波器輸出的視頻脈沖幅度相等，故對消后[5]。盲速問題的解決可以把第一盲速提高到某個范圍之外，即改變脈沖重復周期。由于延遲線的延遲時間必須與前一次發射的脈沖間隔相等，當采用參差變周時，可采用有中間抽頭輸出的（即多種延遲時間輸出的）延遲線。本文采用一段短的延遲線，將接收回波（參差變周的）的時間加以調整，而成為等周期的，這稱為去參差，然后送到雙延時對消器去處理。

3 仿真分析endprint

通過仿真實驗對比單延時對消、雙延時對消響應，進而驗證本文所提變T技術的有效性。設MIMO雷達的發射基地數M=2，接收基地數N=2，這樣MIMO雷達在接收端就形成了4個獨立的接收通道，參數設置如下： m，Hz，Hz，Hz，m/s，雷達發射脈沖重復周期 ms，理論探測最大距離 km。利用Matlab軟件進行仿真結果如下：

圖3比較了單延時對消和雙延時對消響應，仿真結果可以看出，雙延時對消器相對于單延時對消器，在阻帶凹口谷底較寬，雜波抑制效果較好，雜波剩余不大；在通帶上幅頻響應較平坦，目標回波信號不會損失，因此，雙延時對消響應相比單延時對消響應擁有更好的效果。

由圖4，5仿真結果可知，當目標以某徑向速度運動時，設置兩個不同的脈沖重復頻率，當運動目標在時，其，即盲速點，此時運動目標回波MTI處理輸出為0；而在時，由于，跳開了盲速點，MTI處理輸出不為0，并仍有較大輸出。這樣從到的變化（即變T），起到了反盲速的作用。

4 結語

通過理論分析及仿真實驗證明，MIMO雷達對運動目標回波采用單延時對消時的幅頻響應在零頻附近抑制雜波的零值區寬度可能達不到要求，而采用雙延時對消及變T技術處理盲速的動目標檢測方法，不僅可以較好地解決盲速問題，而且可以通過改變參差數和參差比來獲得不同的響應特性。同時還可以很好的抑制雷達檢波器輸出信號中的雜波，并能提取更精確的動目標回波信息，從而大大改善了MIMO雷達在雜波背景下檢測運動目標的性能。該方法相比傳統的單延時對消方法在抑制雜波的能力上提高了18%，具有較強的實用性及工程應用性。

參考文獻

[1] 斯托伊卡，李建.MIMO雷達信號處理[M].北京：國防工業出版社，2013.

[2] 趙樹杰.雷達信號處理技術[M].清華大學出版社，2010.

[3] MAHAFZABR，ELSHERBENIAZ.雷達系統沒計MATLAB仿真[M].朱困富，譯.北京：電子工業出版社，2009.

[4] 基于Labview的雷達動目標仿真[J].羅仕紅，劉春生，譯.電子設計工程，2010，18（6）：33-35.

[5] 馬曉巖，向家彬，朱裕生，等.雷達信號處理[M].湖南科學技術出版社，1999.

[6] Merrill I.Skolnik.雷達系統導論[M].左群聲，等，譯.北京：電子工業出版社，2006.

[7] 王敦勇，馬曉巖，袁俊泉.MIMO雷達的MTI處理及性能分析[J].航天電子對抗，2008（1）：73-76.

[8] MIMO radar moving target detection in liomogeneous clutter [J].HE Qian， LLIIMANNN，BLCMRS，etal.IEEE Trans on Aerospace and Electronic Systems，2010，46（3）：1290-1301.

[9] MIMO radar detection in non-Gaussian and hererogeneous clutter [J].CHONG Chen-yuan，PASCALF，OVARLEZJP， etal. IEEE Jour-nal of Selected Topics in Signal Processing，2010，4（1）：115-126.endprint

通過仿真實驗對比單延時對消、雙延時對消響應，進而驗證本文所提變T技術的有效性。設MIMO雷達的發射基地數M=2，接收基地數N=2，這樣MIMO雷達在接收端就形成了4個獨立的接收通道，參數設置如下： m，Hz，Hz，Hz，m/s，雷達發射脈沖重復周期 ms，理論探測最大距離 km。利用Matlab軟件進行仿真結果如下：

圖3比較了單延時對消和雙延時對消響應，仿真結果可以看出，雙延時對消器相對于單延時對消器，在阻帶凹口谷底較寬，雜波抑制效果較好，雜波剩余不大；在通帶上幅頻響應較平坦，目標回波信號不會損失，因此，雙延時對消響應相比單延時對消響應擁有更好的效果。

由圖4，5仿真結果可知，當目標以某徑向速度運動時，設置兩個不同的脈沖重復頻率，當運動目標在時，其，即盲速點，此時運動目標回波MTI處理輸出為0；而在時，由于，跳開了盲速點，MTI處理輸出不為0，并仍有較大輸出。這樣從到的變化（即變T），起到了反盲速的作用。

4 結語

通過理論分析及仿真實驗證明，MIMO雷達對運動目標回波采用單延時對消時的幅頻響應在零頻附近抑制雜波的零值區寬度可能達不到要求，而采用雙延時對消及變T技術處理盲速的動目標檢測方法，不僅可以較好地解決盲速問題，而且可以通過改變參差數和參差比來獲得不同的響應特性。同時還可以很好的抑制雷達檢波器輸出信號中的雜波，并能提取更精確的動目標回波信息，從而大大改善了MIMO雷達在雜波背景下檢測運動目標的性能。該方法相比傳統的單延時對消方法在抑制雜波的能力上提高了18%，具有較強的實用性及工程應用性。

參考文獻

[1] 斯托伊卡，李建.MIMO雷達信號處理[M].北京：國防工業出版社，2013.

[2] 趙樹杰.雷達信號處理技術[M].清華大學出版社，2010.

[3] MAHAFZABR，ELSHERBENIAZ.雷達系統沒計MATLAB仿真[M].朱困富，譯.北京：電子工業出版社，2009.

[4] 基于Labview的雷達動目標仿真[J].羅仕紅，劉春生，譯.電子設計工程，2010，18（6）：33-35.

[5] 馬曉巖，向家彬，朱裕生，等.雷達信號處理[M].湖南科學技術出版社，1999.

[6] Merrill I.Skolnik.雷達系統導論[M].左群聲，等，譯.北京：電子工業出版社，2006.

[7] 王敦勇，馬曉巖，袁俊泉.MIMO雷達的MTI處理及性能分析[J].航天電子對抗，2008（1）：73-76.

[8] MIMO radar moving target detection in liomogeneous clutter [J].HE Qian， LLIIMANNN，BLCMRS，etal.IEEE Trans on Aerospace and Electronic Systems，2010，46（3）：1290-1301.

[9] MIMO radar detection in non-Gaussian and hererogeneous clutter [J].CHONG Chen-yuan，PASCALF，OVARLEZJP， etal. IEEE Jour-nal of Selected Topics in Signal Processing，2010，4（1）：115-126.endprint

通過仿真實驗對比單延時對消、雙延時對消響應，進而驗證本文所提變T技術的有效性。設MIMO雷達的發射基地數M=2，接收基地數N=2，這樣MIMO雷達在接收端就形成了4個獨立的接收通道，參數設置如下： m，Hz，Hz，Hz，m/s，雷達發射脈沖重復周期 ms，理論探測最大距離 km。利用Matlab軟件進行仿真結果如下：

圖3比較了單延時對消和雙延時對消響應，仿真結果可以看出，雙延時對消器相對于單延時對消器，在阻帶凹口谷底較寬，雜波抑制效果較好，雜波剩余不大；在通帶上幅頻響應較平坦，目標回波信號不會損失，因此，雙延時對消響應相比單延時對消響應擁有更好的效果。

由圖4，5仿真結果可知，當目標以某徑向速度運動時，設置兩個不同的脈沖重復頻率，當運動目標在時，其，即盲速點，此時運動目標回波MTI處理輸出為0；而在時，由于，跳開了盲速點，MTI處理輸出不為0，并仍有較大輸出。這樣從到的變化（即變T），起到了反盲速的作用。

4 結語

通過理論分析及仿真實驗證明，MIMO雷達對運動目標回波采用單延時對消時的幅頻響應在零頻附近抑制雜波的零值區寬度可能達不到要求，而采用雙延時對消及變T技術處理盲速的動目標檢測方法，不僅可以較好地解決盲速問題，而且可以通過改變參差數和參差比來獲得不同的響應特性。同時還可以很好的抑制雷達檢波器輸出信號中的雜波，并能提取更精確的動目標回波信息，從而大大改善了MIMO雷達在雜波背景下檢測運動目標的性能。該方法相比傳統的單延時對消方法在抑制雜波的能力上提高了18%，具有較強的實用性及工程應用性。

參考文獻

[1] 斯托伊卡，李建.MIMO雷達信號處理[M].北京：國防工業出版社，2013.

[2] 趙樹杰.雷達信號處理技術[M].清華大學出版社，2010.

[3] MAHAFZABR，ELSHERBENIAZ.雷達系統沒計MATLAB仿真[M].朱困富，譯.北京：電子工業出版社，2009.

[4] 基于Labview的雷達動目標仿真[J].羅仕紅，劉春生，譯.電子設計工程，2010，18（6）：33-35.

[5] 馬曉巖，向家彬，朱裕生，等.雷達信號處理[M].湖南科學技術出版社，1999.

[6] Merrill I.Skolnik.雷達系統導論[M].左群聲，等，譯.北京：電子工業出版社，2006.

[7] 王敦勇，馬曉巖，袁俊泉.MIMO雷達的MTI處理及性能分析[J].航天電子對抗，2008（1）：73-76.

[8] MIMO radar moving target detection in liomogeneous clutter [J].HE Qian， LLIIMANNN，BLCMRS，etal.IEEE Trans on Aerospace and Electronic Systems，2010，46（3）：1290-1301.

[9] MIMO radar detection in non-Gaussian and hererogeneous clutter [J].CHONG Chen-yuan，PASCALF，OVARLEZJP， etal. IEEE Jour-nal of Selected Topics in Signal Processing，2010，4（1）：115-126.endprint