MIMO雷達兩種不同波束形成結構的比較

一、引言

借鑒在通信領域取得巨大成功的多輸入多輸出（MIMO，multiple input multiple output）技術，MIMO雷達的提出受到了廣泛的關注，與傳統雷達相比，MIMO雷達在低截獲、弱目標檢測、參數估計精度、雜波抑制、抗干擾等方面具有明顯優勢，近年來成為學術界研究的熱點。

二、MIMO雷達波束形成兩種不同結構

MIMO雷達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MIMO雷達中有M個發射陣元和N個接受陣元，先匹配濾波后波束形成的結構如圖1所示：

MIMO雷達波束形成的另一種結構：先對N個接收通道進行波束形成，然后再進行匹配濾波，最后得到輸出結果。先波束形成后匹配濾波的結構如圖2所示。

三、MIMO雷達有源干擾自由度

自由度是MIMO雷達信號處理中的一個十分重要的概念[4]。一個采用兩個加權系數的2元陣，可以設計權系數，使MIMO雷達在1個需要信號方向得到最大響應，或者在1個干擾方向產生零點，此時MIMO雷達的自由度為1。采用M個加權的M元陣，有（M-1）個自由度，MIMO雷達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方差矩陣中遠大于噪聲功率的特征值個數。

對有源干擾自由度影響的仿真驗證，假設MIMO雷達為4個陣元發射4個相互正交的信號，干擾個數1個。干噪比為：10dB，采樣次數500，在兩種波束形成結構下分別計算得到干擾協方差矩陣，對其進行特征值分解，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構使通道數增加為4個，干擾協方差維數增大4倍。

假設空間中存在k個有源干擾。在先波束形成然后匹配濾波的結構下，有源干擾自由度等于有源干擾個數k。在先匹配濾波然后波束形成的結構下，每個接收信號后都要接M個匹配濾波器，以分離不同的發射信號，共得到M×N個輸出，再對這M×N個輸出進行波束形成，有源干擾自由度為kM。由于通道數的不同，有源干擾自由度在兩種結構下是等效的，即匹配濾波器不會影響信號處理的有源干擾自由度。

四、總結

本文論述了MIMO雷達的波束形成的兩種不同結構，給出了他們的輸出結果并證明其實完全一致的。又從有源干擾自由度的角度論證了這兩種結構的一致性。但是由于先匹配濾波后波束形成這種結構會增加MIMO雷達的通道數，導致計算量增加，所以建議在實際應用中采用先波束形成再匹配濾波的結構。