MIMO體制雷達原理及關鍵技術分析

摘 要： 在對MIMO雷達的基本原理進行概述的基礎上，重點分析了MIMO雷達設計時所涉及的主要關鍵技術，對關鍵技術實現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容。

關鍵詞： MIMO雷達； 波形設計； 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）技術主要應用于通信系統。近年來，人們逐漸將該技術引入到雷達發展的研究當中。由于采用多個發射通道、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雷達。這使得它在目標的跟蹤、參數估計、目標識別、成像等相關領域有非常好的發展前景。

1 基本原理

MIMO雷達與傳統雷達設計的主要區別在于發射陣列和接收陣列不同。下面對其主要原理進行論述。

發射陣列在方位或俯仰方向都有[M]個數字收發單元，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相控陣模式的[1M。]

MIMO雷達發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]個發射子陣發射的疊加正交信號。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射波形，就可以恢復出由單個發射陣發射的信號，合成后在接收端形成等效發射波束，從而得到完整的回波信號。由于各發射和接收單元的數量、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合接收波束，用于后續目標檢測和跟蹤。

MIMO雷達接收原理如圖2所示。

圖1 MIMO雷達發射陣列模式圖

2 關鍵技術分析

2.1 發射信號設計和波形優化

2.1.1 發射信號設計

對于正交的發射信號，主要有三種：正交頻分復用線性調頻信號、正交多相編碼信號、正交多頻編碼信號。

（1）正交頻分復用線性調頻信號

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射，每個信號占用不同的頻帶，通過接收系統信號處理，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]為發射脈沖寬度；[fi=f0+cif]為第[i]個發射天線的發射載頻，[f]為頻率間隔，且[Tef=1，][f0]為中心載頻，[ci∈][0，±1，±2，，±M2]為發射信號頻率編碼；[μ]為線性跳頻信號的調頻斜率。

圖2 MIMO雷達接收陣列模式圖

（2）正交相位編碼信號

其特點是易于實現數字化處理，信號一般具有優良的自相關性能；與線性調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。

（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，從而使各發射信號自相關函數的旁瓣大大降低。

[s（t）=n=1Nej2πfint， i=1，2，，M] （3）

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

2.1.2 發射波形設計優化

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生。波形設計具有很大的靈活性，好的波形不但可得到低自相關旁瓣，獲得高分辨力，還可以有效降低信號處理的復雜度。

目前波形設計方法主要有以下幾種：

（1）基于波束圖綜合的波形設計及優化

對于MIMO雷達，發射信號的相關矩陣決定了信號的空間功率分布。當發射信號相互正交時，發射功率的空間分布為全向分布。因此，通過改變發射信號的相關矩陣就可以綜合任意波束圖。如何獲得信號的相關矩陣是該設計方法的關鍵部分，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化目標，采用投影梯度搜索算法、遺傳算法等來進行優化設計得到發射信號的相關矩陣。

（2）基于互信息量和最小均方誤差的波形設計及優化

該問題就是在對發射信號進行約束的條件下，利用優化算法設計最佳的發射信號，使得在發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射信號的功率，在此條件下，對由雜波的統計特性決定的協方差矩陣形成的子空間按照互信息量準則進行優化設計從而得到期望的發射信號。

（3）自適應波形設計方法

自適應波形設計就是設計自適應于目標的散射特性和雜波（包含噪聲和干擾）的環境，使得系統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計發射波形；在僅知目標的統計特性時，可以將發射信號功率集中在提供較強回波的目標頻域部分，或者優化發射信號使得雷達照射目標函數與目標的散射函數相匹配，來提高接收端的信噪比；在僅知雜波的統計特性時，可以通過最小化接收端雜波能量來設計發射波形。

2.2 天線布陣設計

由于發射陣和接收陣的設計特性，必須設計有別于傳統雷達的天線陣列。設計方法如下：

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

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

接收導向矢量如式（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，目前仍采用收發同陣的布陣方式作為該體制雷達天線系統研究的主要方向。

2.3 脈沖綜合技術

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，濾波器系數與方向有關，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，實現等效發射波束的形成，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射波束的形成，其最后結果和上述的方法得到的結果完全相同，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，但是需要的數據存儲量較小。

圖3 MIMO雷達同時多波束形成示意圖

3 結 語

目前，MIMO雷達技術的研究結果主要集中在對其體制、機理、檢測性能、參數估計以及發射波形設計等方面，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該側重解決實際問題。另外，由于該體制雷達起步不久，還需對發射的波形產生、優化、降低算法計算復雜度等方面做更多研究。

參考文獻

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