集中式MIMO雷達較相控陣雷達的優勢分析

陳庚 玄緒強

摘要：近年MIMO技術在通信領域獲得的較大成就推動了MIMO雷達的相關研究。MIMO雷達發射正交波形獲得波形分集增益，對比技術已經成熟并應用較廣的相控陣雷達，在參數估計能力等方面具有較大提升。本文介紹了集中式MIMO雷達的定義及分類，分析了集中式MIMO雷達較相控陣雷達的優勢，探討了集中式MIMO雷達的應用前景。

關鍵詞：MIMO雷達;集中式;相控陣雷達

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

0 引言

雷達是通過發射電磁波照射空中目標并接收其反射回波，從而探測和定位空間目標的電子系統，雷達在現代戰爭中占據著重要地位。多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技術源于通信領域，是指在收發端采用多天線同時發射和接收信息，從而形成多通道傳輸信息來抑制信道衰落。由于通信技術和雷達技術原理的相似性，為MIMO技術應用于雷達領域奠定了基礎，MIMO雷達的研究逐漸興起，并成為雷達領域的研究熱點。MIMO雷達按照布站方式不同可分為集中式MIMO雷達[1]和分布式MIMO雷達[2]，本文討論研究的是集中式MIMO雷達。相控陣雷已經有了廣泛的應用，本文將討論集中式MIMO雷達較相控陣雷達在多個方面的優勢。

1 集中式MIMO雷達的定義及分類

MIMO雷達通過多個天線發射相互正交的波形信號，信號照射目標后反射回多個接收天線，從發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探測目標的能力和參數估計的性能。

集中式MIMO雷達的陣元采用密集布陣方式，陣元間距一般不大于半波長，多個發射天線發射正交波形，照射目標后反射到接收天線，在接收天線處接收的是對應于多個發射天線發射的相互正交的混合信號，其經過匹配濾波處理后可分離出相對于每個發射天線的信號。集中式MIMO雷達陣元間距達不到非相干要求，故目標相對于發射天線或接收天線具有一致的反射特性，目標假設為空間點目標，由于發射天線發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成方向圖。集中式MIMO雷達按照布站方式可分為兩種雷達體制，一種是單基地MIMO雷達：收發天線緊密布置在同一個基地中，其有相同的波離角（DOD）和波達角（DOA）;一種是雙基地MIMO雷達：發射天線和接收天線布置在廣泛分離的兩個基地中，收發天線在各自基地中密集布陣，其波離角和波達角不同。

相控陣雷達利用發射于密集多天線上的統一信號的相位來控制波束照射方向，從而對相關區域進行掃描搜索目標。相控陣雷達用電子掃描取代機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照射也能極大的增加目標回波強度，有利于空間目標定位。

2 集中式MIMO雷達較相控陣雷達的優勢

2.1 具有更高的空間分辨率

集中式MIMO雷達發射相互正交的信號，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，實際形成了收發天線乘數的獨立信道，產生的虛擬陣元數目比實際陣元數目大的多。集中式MIMO雷達能夠利用接收和發射兩方面的陣列孔徑，其形成的虛擬陣列孔徑數目既是發射和接收孔徑的總和，其增大了虛擬陣列孔徑。而相控陣雷達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 具有更好的參數估計性能

集中式MIMO雷達因發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，相當于產生總共有發射天線數目的信道，這極大的增加了包含于接收信號中的有效信息，提高了目標角度分辨力和的參數識別性能，其分辨目標的數目是類似結構相控陣雷達的多倍，其倍數為發射陣元數目。

2.3 具有更強的抗雜波干擾能力

在雷達實戰環境中，目標信號反射至地面或者海面，再次反射后的回波信號可能經過多次散射形成多徑雜波，對目標回波信號形成不同程度的干擾。當處于特定情況時，多徑雜波經過散射后反射到達接收天線的方向可能與空間目標反射回的信號的波達方向相同，雷達需要利用發射自適應波束形成技術來抵消雜波干擾效應。相控陣雷達不能有效實現發射自適應波束形成技術，而我們可以在集中式MIMO雷達體制中應用收發綜合自適應波束形成技術，能夠實現高效的降低散射多徑雜波的負面影響[3]。

2.4 具有更強的戰場生存能力

由于相控陣雷達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，這就使相控陣雷達面臨極大的截獲概率，受高功率電子干擾的風險增加，并易受反輻射導彈的針對性攻擊。集中式MIMO雷達全向發射正交信號，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場中被敵方雷達截獲的概率。雙基地MIMO雷達可將發射基地布置在我后方陣地，接收基地布置在前方陣地，這就增加了雷達的戰場生存能力。

3 集中式MIMO雷達的應用前景

集中式MIMO雷達可以看作相控陣雷達的升級，因為相較于傳統雷達有更多的相似性，其研究較為廣泛和深入，研發和裝備成本也較低，這些優點都有利于其推廣和應用。集中式MIMO雷達不僅可裝備在陸基雷達領域，也可應用于機載和艦載雷達的裝備中。雙基地集中式MIMO雷達體制更是可以獲得更廣闊應用，可在后方陣地配備大型發射陣，而把接收陣布置在前方陣地中的戰車、飛機或艦載雷達中，也可發揮MIMO雷達的諸多性能優勢。隨著相控陣雷達的廣泛裝備，雷達領域的研究將擴展到更新的領域，而MIMO雷達作為新的熱點必將擁有更加廣闊的發展前景。

4 結語

集中式MIMO雷達密集布置收發陣元，發射正交波形且在接收端經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，特殊的雷達體制使其擴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，正交波形構成低增益寬波束，并且易于自適應波束形成技術的應用，這些集中式MIMO雷達的體制優點使其在空間分辨率、參數估計性能、抗砸波干擾和戰場生存能力上，較傳統的相控陣雷達有較大的優勢。

參考文獻

[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.