MIMO雷達信號處理綜述

摘 要：MIMO雷達天線有多種組成方式，并且能夠接收多種波形新號。MIMO雷達天線一般情況下并不在同一條線上，可以將其分為收發數量相等和不相等兩種信號手法形式。本文以MIMO雷達天線以及其信號模型、波束、目標檢測、MIMO雷達恒虛警處理等為內容，進行分析與研討，以探究MIMO雷達相對于傳統雷達的先進性，為進一步研究雷達性能做鋪墊。

關鍵詞：MIMO雷達；信號處理

中圖分類號：TN957.51 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）07-0076-03

Abstract：MIMO radar antenna can receive a variety of waveform signals，it can receive a variety of waveforms. Generally speaking，MIMO radar antenna is not on the same line，but it can be divided into two kinds of signal manipulation forms：equal or equal number of transceivers. In this paper，MIMO radar antenna and its signal model，beam，target detection MIMO radar CFAR processing are analyzed and discussed in order to explore the advantages of MIMO radar compared with traditional radar，and to pave the way for further research on radar performance improvement.

Keywords：MIMO radar；signal processing

0 引 言

MIMO雷達是一種非常先進的雷達信號處理系統，它的機制與概念是相統一。如何展現MIMO雷達信號處理的高效性，已經成為當前雷達技術工作的重點。本文將針對MIMO雷達信號處理進行綜合論述。

1 MIMO雷達天線

對于MIMO雷達稀疏陣列來說，MIMO雷達天線之間的距離相對較近，并且其角度能夠有效的改善，通過稀疏陣列不斷的優化，使得MIMO雷達天線展現最佳的效果。MIMO系統應用的稀疏陣列相比傳統陣列來說，除了增強原有系統陣列的分辨率外，效率也呈現不斷提升的狀態。假定目標散射回波對每個天線都是相同的，但是不同天線之間也會存在一定的微小延遲。想要切實保障目標散射的獨立性，就要通過目標細節特征來改善，才能夠保障回波的能量朝向MIMO雷達天線[1]。若將目標的大小看作合理的定位散射陣列，那么就能夠實現散射波的不相關性。天線角距與散射陣的寬度相對較小的情況下，便可以有效的對雷達信號進行處理。針對陣列設計的過程，應該著重考慮空間的模糊性與分辨率。MIMO虛擬陣列主要分為稀疏陣列、緊湊陣列、超緊湊陣列。如何選擇MIMO虛擬陣列種類，就需要結合實際的情況。此外，若想要同時保障監視雷達系統的高效運行，就需要針對空間的模糊性進行權衡。

2 MIMO雷達信號模型

MIMO雷達信號模型主要有兩方面內容，分別是發射陣元不分子陣和發射陣元分子陣。對于發射陣元不分子陣來說，若MIMO雷達中存在M個發射陣元和N個接收陣列，那么發射信號主要為S1（t），S2（t），S3（t）……，SM（t）。對于發射陣分陣列來說，其主要內容便是將發射陣列的各個子陣發射的方向定位為f（θ），其被反射之后，所得到相關的信號表達式為：

針對回波信號匹配濾波來說，由于MIMO雷達在接受信號的同時，各個信號能夠在信號通道中形成復合的合成信號，所以想要將這些合成信號有順序、有規律的進行分離，就必須使用回波信號匹配濾波[2]。由于MIMO雷達所發射的信號都是相互正交的，使得不同匹配的濾波器都是相關連的。這樣，將合成信號與所有的發射信號相關聯，并分別求其相關性，便可以有效的針對不同信號進行分離。其具體的回波信號匹配濾波器組的結構如圖1所示。

在開展信號分離的過程中，第n個接收端接收到的回波信號的數學表達式為：

若將發射信號Si（t）與Sj（t）相互正交，則：

若在第n個接收端，將i個發射單元的發射信號Si（t）與回波信號Xn（t）做匹配濾波運算，可以得到：

所以第n個接收機進行匹配濾波之后，輸出的信號可寫為：

輸出的信號表達式可寫為：

綜上所述，在開展信號分離的過程中，一般使用頻域匹配濾波法。由于用FFT在設計的過程中，計算量相對較小，并且運行速度也相對較快，所以利用FFT能夠有效的增強正頻域匹配濾波器組的整體運作效率，其具體結構流程如圖2所示。

3 MIMO雷達的波束

MIMO雷達波束的形成原理主要是將每個雷達的接收機和匹配濾波器的發射波進行匹配，使得每個發射波同時存在于MN個匹配濾波中，并輸出。通過明確目標方向和波束指向，來統籌發射信號的波長以及陣列間距，以展現該接收信號[3]。圖3是數字波束形成流程圖。波束形成器所存在的計算方法，是將通道內的各個信號進行加權與求和，將所有信息形成陣列，從而形成多個空間方向的定向波束，切實得出相對優質的波束性能。針對數字波束的形成來說，主要是通過雷達系統接收不同信號通道內所發射的信號內容。充分利用MIMO雷達的手段，將接收端組成多個波束，并充分覆蓋所有的照射空間。

4 MIMO雷達的目標檢測

MIMO雷達所檢測的目標一般都具有移動性的，并且周圍的很多目標都是無法預測的。與此同時，雷達檢測的目標一般還與自然環境有著極大的關系，并且容易受到敵對勢力所釋放出的各種信號的干擾，多樣的雜波和運動目標并存，為MIMO雷達探測帶來了許多的麻煩。并且運動目標與雜波的運動速度有所不同，很容易產生不同的多普勒頻率。通過MTI和MTD的手段，能夠將頻率上的差異以及運動目標及時檢測出來。MIMO雷達的目標檢測手段主要分成兩方面內容，分別為動目標顯示和動目標檢測。動目標主要是利用雜波抑制濾波器，對多種雜波進行濾波，以便切實提高MIMO雷達信號的信雜比。此外，還可以通過回波多普勒頻移的手段，對運動目標的雜波進行區分。動目標檢測主要是利用多普勒濾波器的手段，對多種雜波進行有效的抑制，以便切實增強MIMO雷達的目標檢測能力。MTD濾波器的頻率特性圖如圖4所示。

5 MIMO雷達恒虛警處理

MIMO雷達信號處理中至關重要的環節便是MIMO雷達恒虛警處理。為了保障雷達在開展目標監測的同時不受到其他因素的干擾，設置了雷達恒虛警處理功能。其主要目的便是在噪音下做出有效的信號判斷。如果檢測門限固定，那么即便干擾電平只上升幾分貝，也會影響信號處理的準確性。所以為了切實有效的提取信號，就必須保證較高的信噪比，并高效的運用雷達恒虛警處理設備。在開展雷達恒虛警處理工作時，往往噪聲功率并不是一個常數。想要保持雷達恒虛警處理效率不變，就必須結合噪聲的方差改變門限值，并將自調的門限值替換成固定門限，實時的對背景噪聲以及雜波干擾電波進行控制與調整，切實保障信號接收的高效性，同時，可根據不同的虛警率得到不同的門限因子。

6 結 論

總而言之，MIMO雷達是當前形勢下非常高效的信號處理手段，與傳統的雷達相比具有極其顯著的高效性。想要切實保障信號處理工作的效率，就需要了解MIMO雷達天線的實際作用，創建完善的雷達模型，并針對MIMO雷達匹配濾器的具體處理過程進行詳細的設計。本文針對DBF技術進行了解之后，深入討論了匹配濾波和處理次序之間的關系，并且介紹了動目標顯示、動目標檢測和恒虛警處理的基本原理，為MIMO雷達的工程實現提供了有力的理論支撐。想要不斷的完善我國雷達信號的處理技術，還需要廣大科技人員的不懈努力，切實促進我國通信信息行業的不斷發展和進步。

參考文獻：

[1] 楊守國，李勇，張昆輝，等.MIMO雷達信號處理半實物仿真系統的設計與實現 [J].現代雷達，2017，39（4）：87-91.

[2] 李仙茂，董天臨，黃高明.MIMO雷達信號處理綜述 [J].現代防御技術，2017，45（1）：107-112+146.

[3] 龐娜，徐平江.基于多核DSP的MIMO雷達信號處理的實現 [J].電子技術應用，2014，40（9）：4-6+13.

作者簡介：朱肅嫻（1988.01-），女，漢族，新疆精河人，助理工程師，本科。研究方向：雷達信號總體。