集中式MIMO雷達(dá)較相控陣?yán)走_(dá)的優(yōu)勢分析

陳庚 玄緒強(qiáng)

摘要：近年MIMO技術(shù)在通信領(lǐng)域獲得的較大成就推動了MIMO雷達(dá)的相關(guān)研究。MIMO雷達(dá)發(fā)射正交波形獲得波形分集增益，對比技術(shù)已經(jīng)成熟并應(yīng)用較廣的相控陣?yán)走_(dá)，在參數(shù)估計能力等方面具有較大提升。本文介紹了集中式MIMO雷達(dá)的定義及分類，分析了集中式MIMO雷達(dá)較相控陣?yán)走_(dá)的優(yōu)勢，探討了集中式MIMO雷達(dá)的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：MIMO雷達(dá);集中式;相控陣?yán)走_(dá)

中圖分類號：TN957.51 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）07-0234-01

0 引言

雷達(dá)是通過發(fā)射電磁波照射空中目標(biāo)并接收其反射回波，從而探測和定位空間目標(biāo)的電子系統(tǒng)，雷達(dá)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中占據(jù)著重要地位。多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技術(shù)源于通信領(lǐng)域，是指在收發(fā)端采用多天線同時發(fā)射和接收信息，從而形成多通道傳輸信息來抑制信道衰落。由于通信技術(shù)和雷達(dá)技術(shù)原理的相似性，為MIMO技術(shù)應(yīng)用于雷達(dá)領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)，MIMO雷達(dá)的研究逐漸興起，并成為雷達(dá)領(lǐng)域的研究熱點。MIMO雷達(dá)按照布站方式不同可分為集中式MIMO雷達(dá)[1]和分布式MIMO雷達(dá)[2]，本文討論研究的是集中式MIMO雷達(dá)。相控陣?yán)滓呀?jīng)有了廣泛的應(yīng)用，本文將討論集中式MIMO雷達(dá)較相控陣?yán)走_(dá)在多個方面的優(yōu)勢。

1 集中式MIMO雷達(dá)的定義及分類

MIMO雷達(dá)通過多個天線發(fā)射相互正交的波形信號，信號照射目標(biāo)后反射回多個接收天線，從發(fā)射端到接收端形成了多個相互獨立的信號路徑，從而極大的提高了雷達(dá)探測目標(biāo)的能力和參數(shù)估計的性能。

集中式MIMO雷達(dá)的陣元采用密集布陣方式，陣元間距一般不大于半波長，多個發(fā)射天線發(fā)射正交波形，照射目標(biāo)后反射到接收天線，在接收天線處接收的是對應(yīng)于多個發(fā)射天線發(fā)射的相互正交的混合信號，其經(jīng)過匹配濾波處理后可分離出相對于每個發(fā)射天線的信號。集中式MIMO雷達(dá)陣元間距達(dá)不到非相干要求，故目標(biāo)相對于發(fā)射天線或接收天線具有一致的反射特性，目標(biāo)假設(shè)為空間點目標(biāo)，由于發(fā)射天線發(fā)射的是正交波形信號，其在空間中形成低增益寬波束，不會形成高增益窄帶波束而構(gòu)成方向圖。集中式MIMO雷達(dá)按照布站方式可分為兩種雷達(dá)體制，一種是單基地MIMO雷達(dá)：收發(fā)天線緊密布置在同一個基地中，其有相同的波離角（DOD）和波達(dá)角（DOA）;一種是雙基地MIMO雷達(dá)：發(fā)射天線和接收天線布置在廣泛分離的兩個基地中，收發(fā)天線在各自基地中密集布陣，其波離角和波達(dá)角不同。

相控陣?yán)走_(dá)利用發(fā)射于密集多天線上的統(tǒng)一信號的相位來控制波束照射方向，從而對相關(guān)區(qū)域進(jìn)行掃描搜索目標(biāo)。相控陣?yán)走_(dá)用電子掃描取代機(jī)械掃描以控制波束照射方向是其顯著特點，其聚集高功率波束對目標(biāo)照射也能極大的增加目標(biāo)回波強(qiáng)度，有利于空間目標(biāo)定位。

2 集中式MIMO雷達(dá)較相控陣?yán)走_(dá)的優(yōu)勢

2.1 具有更高的空間分辨率

集中式MIMO雷達(dá)發(fā)射相互正交的信號，在接收端對混合信號匹配濾波分離出不同信號路徑的信號，實際形成了收發(fā)天線乘數(shù)的獨立信道，產(chǎn)生的虛擬陣元數(shù)目比實際陣元數(shù)目大的多。集中式MIMO雷達(dá)能夠利用接收和發(fā)射兩方面的陣列孔徑，其形成的虛擬陣列孔徑數(shù)目既是發(fā)射和接收孔徑的總和，其增大了虛擬陣列孔徑。而相控陣?yán)走_(dá)則不能形成虛擬陣元和增加虛擬陣列孔徑，正是由于集中式MIMO雷達(dá)擁有上述能力，故極大的增加了其空間分辨率。

2.2 具有更好的參數(shù)估計性能

集中式MIMO雷達(dá)因發(fā)射正交波形而獲得了波形分集增益，其在接收端分離出不同信道的信號，相當(dāng)于產(chǎn)生總共有發(fā)射天線數(shù)目的信道，這極大的增加了包含于接收信號中的有效信息，提高了目標(biāo)角度分辨力和的參數(shù)識別性能，其分辨目標(biāo)的數(shù)目是類似結(jié)構(gòu)相控陣?yán)走_(dá)的多倍，其倍數(shù)為發(fā)射陣元數(shù)目。

2.3 具有更強(qiáng)的抗雜波干擾能力

在雷達(dá)實戰(zhàn)環(huán)境中，目標(biāo)信號反射至地面或者海面，再次反射后的回波信號可能經(jīng)過多次散射形成多徑雜波，對目標(biāo)回波信號形成不同程度的干擾。當(dāng)處于特定情況時，多徑雜波經(jīng)過散射后反射到達(dá)接收天線的方向可能與空間目標(biāo)反射回的信號的波達(dá)方向相同，雷達(dá)需要利用發(fā)射自適應(yīng)波束形成技術(shù)來抵消雜波干擾效應(yīng)。相控陣?yán)走_(dá)不能有效實現(xiàn)發(fā)射自適應(yīng)波束形成技術(shù)，而我們可以在集中式MIMO雷達(dá)體制中應(yīng)用收發(fā)綜合自適應(yīng)波束形成技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的降低散射多徑雜波的負(fù)面影響[3]。

2.4 具有更強(qiáng)的戰(zhàn)場生存能力

由于相控陣?yán)走_(dá)使用電子掃描方式聚集高功率波束照射空域，有很大的功率值和孔徑增益，這就使相控陣?yán)走_(dá)面臨極大的截獲概率，受高功率電子干擾的風(fēng)險增加，并易受反輻射導(dǎo)彈的針對性攻擊。集中式MIMO雷達(dá)全向發(fā)射正交信號，不會形成聚焦波束，而是在全空域形成低功率寬波束，這就極大的降低了戰(zhàn)場中被敵方雷達(dá)截獲的概率。雙基地MIMO雷達(dá)可將發(fā)射基地布置在我后方陣地，接收基地布置在前方陣地，這就增加了雷達(dá)的戰(zhàn)場生存能力。

3 集中式MIMO雷達(dá)的應(yīng)用前景

集中式MIMO雷達(dá)可以看作相控陣?yán)走_(dá)的升級，因為相較于傳統(tǒng)雷達(dá)有更多的相似性，其研究較為廣泛和深入，研發(fā)和裝備成本也較低，這些優(yōu)點都有利于其推廣和應(yīng)用。集中式MIMO雷達(dá)不僅可裝備在陸基雷達(dá)領(lǐng)域，也可應(yīng)用于機(jī)載和艦載雷達(dá)的裝備中。雙基地集中式MIMO雷達(dá)體制更是可以獲得更廣闊應(yīng)用，可在后方陣地配備大型發(fā)射陣，而把接收陣布置在前方陣地中的戰(zhàn)車、飛機(jī)或艦載雷達(dá)中，也可發(fā)揮MIMO雷達(dá)的諸多性能優(yōu)勢。隨著相控陣?yán)走_(dá)的廣泛裝備，雷達(dá)領(lǐng)域的研究將擴(kuò)展到更新的領(lǐng)域，而MIMO雷達(dá)作為新的熱點必將擁有更加廣闊的發(fā)展前景。

4 結(jié)語

集中式MIMO雷達(dá)密集布置收發(fā)陣元，發(fā)射正交波形且在接收端經(jīng)過匹配濾波器分離出不同信號，其形成的波形分集增益是其顯著特點，特殊的雷達(dá)體制使其擴(kuò)大了虛擬陣元和虛擬陣列孔徑，形成的多通道增加了接收信號的有用信息容量，正交波形構(gòu)成低增益寬波束，并且易于自適應(yīng)波束形成技術(shù)的應(yīng)用，這些集中式MIMO雷達(dá)的體制優(yōu)點使其在空間分辨率、參數(shù)估計性能、抗砸波干擾和戰(zhàn)場生存能力上，較傳統(tǒng)的相控陣?yán)走_(dá)有較大的優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

[1] Li J， Stoica P. MIMO radar with collocated antennas [J]. IEEE Signal Processing Magazine，2007，24（5）：106-114.

[2] Haimovich A M， Blum R S， Cimini L J. MIMO radar with widely separated antennas [J].IEEE Signal Processing Magazine，2008，25（1）：116-129.

[3] Chen C Y， Vaidyanathan P P. MIMO radar space-time adaptive processing using prolate spheroidal wave functions [J]. IEEE Transactions on Signal Processing，2008，56（2）：623-625.