正交MIMO雷達(dá)抗干擾性能分析

李銳洋 譚龍飛

摘 要 集中式MIMO雷達(dá)采用多個(gè)收發(fā)天線，通過發(fā)射正交波形實(shí)現(xiàn)波形分集，形成的虛擬陣列極大拓展了雷達(dá)的有效孔徑，有效減小了雷達(dá)波束寬度，使得雷達(dá)在空間搜索、目標(biāo)檢測(cè)及參數(shù)估計(jì)等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。本文先介紹MIMO雷達(dá)的虛擬陣列特性，在此基礎(chǔ)上對(duì)比分析了采用旁瓣對(duì)消方法時(shí)，相控陣及MIMO兩種體制雷達(dá)的抗干擾性能。

關(guān)鍵詞 MIMO雷達(dá);抗干擾;旁瓣對(duì)消

引言

近年來，隨著多輸入多輸出技術(shù)（MIMO）的迅速發(fā)展，將該技術(shù)應(yīng)用于雷達(dá)領(lǐng)域的研究也愈發(fā)廣泛[1]。MIMO雷達(dá)可分為分布式[2]和集中式兩種，分布式MIMO雷達(dá)利用收發(fā)陣列空間分置，使得收發(fā)處理間獨(dú)立，實(shí)現(xiàn)空間分集;集中式MIMO雷達(dá)可以看作是相控陣?yán)走_(dá)的變形，通過發(fā)射相互正交的信號(hào)，使得信號(hào)在空間中無法融合，從而實(shí)現(xiàn)波形分集。本文的討論對(duì)象為集中式MIMO雷達(dá)，其信號(hào)形式及系統(tǒng)構(gòu)成靈活且易拓展。

1MIMO雷達(dá)虛擬陣列

在實(shí)際工作中，MIMO雷達(dá)在發(fā)射端將天線分為多個(gè)子陣，通過對(duì)寬帶數(shù)字收發(fā)單元的控制，子陣間發(fā)射M個(gè)相互正交的信號(hào)，在空間無法同相位疊加合成高增益的窄波束，而是形成低增益的寬波束。在接收時(shí)，MIMO雷達(dá)采用延遲線或DBF技術(shù)在空間形成N個(gè)接收波束，覆蓋發(fā)射寬波束的空域范圍，通過匹配濾波恢復(fù)出每個(gè)發(fā)射信號(hào)的回波，最終對(duì)這MN個(gè)信號(hào)進(jìn)行發(fā)射、接收波束形成等處理，就可獲得遠(yuǎn)大于原始孔徑的虛擬孔徑[3]，這種陣列稱為奈奎斯特虛擬陣列。

利用這種收發(fā)波束分別處理空域信息的方法，MIMO雷達(dá)獲得了相比于傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)更大的空域自由度。下面針對(duì)這一特性，對(duì)比分析相控陣?yán)走_(dá)及MIMO雷達(dá)的抗干擾性能。

2MIMO雷達(dá)抗干擾性能討論

基于旁瓣對(duì)消理論而衍生的一系列抗干擾方法在雷達(dá)信號(hào)處理中是較為常用的[4]，通過這種方法可以在雷達(dá)接收方向圖中的干擾方向形成零陷，從而抑制該方向的干擾信號(hào)。

環(huán)境中針對(duì)雷達(dá)的干擾主要包括壓制干擾、轉(zhuǎn)發(fā)欺騙干擾等形式。常見的壓制性干擾信號(hào)包括噪聲調(diào)頻信號(hào)和噪聲調(diào)幅信號(hào)等，轉(zhuǎn)發(fā)欺騙干擾的種類較多，但都是基于偵收到的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行變形并轉(zhuǎn)發(fā)后形成。

對(duì)于壓制干擾，由于干擾信號(hào)與雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)無關(guān)，MIMO雷達(dá)無法在接收端通過匹配濾波分離干擾信號(hào)，等效發(fā)射波束形成就無法進(jìn)行，即MIMO雷達(dá)對(duì)壓制干擾不能形成虛擬孔徑，那么對(duì)于相控陣與MIMO雷達(dá)來說都只能通過N個(gè)陣元的接收陣列來進(jìn)行干擾抑制，因此兩種模式抗干擾性能相同，均由接收陣決定。

對(duì)于進(jìn)入接收波束主瓣的轉(zhuǎn)發(fā)欺騙干擾，不論是相控陣或MIMO雷達(dá)都沒有很好的干擾抑制方法，強(qiáng)行抑制的結(jié)果會(huì)導(dǎo)致主瓣增益下降及波束展寬，這對(duì)于接收信噪比、測(cè)角等性能都有極大影響，所以本文主要考慮旁瓣轉(zhuǎn)發(fā)干擾。由于干擾是針對(duì)接收陣列信號(hào)進(jìn)行的，下面分兩種情況進(jìn)行討論。

第一種，相控陣?yán)走_(dá)與MIMO雷達(dá)接收陣列均為緊湊陣，即N陣元、半波長的接收陣列。由于轉(zhuǎn)發(fā)干擾與發(fā)射信號(hào)具有相關(guān)性，MIMO雷達(dá)通過匹配濾波可以分離干擾信號(hào)，這就等效于一個(gè)MN陣元的虛擬陣來接收干擾信號(hào)，相應(yīng)地MIMO雷達(dá)的等效主瓣寬度將遠(yuǎn)小于相控陣?yán)走_(dá)。假設(shè)存在某一朝向雷達(dá)接收主波束的轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號(hào)，對(duì)相控陣來說該干擾位于波束主瓣，若產(chǎn)生零陷必然會(huì)使主瓣產(chǎn)生畸變;而對(duì)MIMO雷達(dá)來說同樣的干擾在虛擬陣列中很可能位于旁瓣上，采用自適應(yīng)旁瓣對(duì)消方法產(chǎn)生的零陷并不會(huì)影響到主瓣。因此這種情況下，MIMO雷達(dá)抗轉(zhuǎn)發(fā)干擾的性能優(yōu)于相控陣。

第二種，雷達(dá)采用稀疏陣列接收，即陣元間距遠(yuǎn)大于半波長。對(duì)于MIMO雷達(dá)，根據(jù)波束形成原理，由于雷達(dá)接收陣列的陣元間距更大，接收方向圖會(huì)出現(xiàn)接收柵瓣。由于全向發(fā)射特性，干擾機(jī)容易收到雷達(dá)信號(hào)，轉(zhuǎn)發(fā)后從副瓣進(jìn)入的干擾可用常規(guī)方法進(jìn)行抑制，而從柵瓣進(jìn)入的轉(zhuǎn)發(fā)干擾由于幅度較大，必須通過收發(fā)聯(lián)合波束形成，使得從實(shí)際接收陣列柵瓣進(jìn)入的干擾變?yōu)閺奶摂M陣列的旁瓣進(jìn)入，再采用常規(guī)基于旁瓣對(duì)消的方法進(jìn)行抑制。而對(duì)于相控陣?yán)走_(dá)，雖然接收陣列存在柵瓣，但接收方向圖的柵瓣方向通常為發(fā)射方向圖的零點(diǎn)方向，干擾機(jī)難以收到雷達(dá)信號(hào)，因此通常不存在轉(zhuǎn)發(fā)干擾。

3結(jié)束語

通過發(fā)射正交信號(hào)MIMO雷達(dá)可在接收端分離各信號(hào)，從而提升空間自由度、獲得遠(yuǎn)大于物理孔徑的虛擬孔徑。基于這一特性本文分析了相控陣?yán)走_(dá)與MIMO雷達(dá)在采用旁瓣對(duì)消方法抗干擾時(shí)的性能優(yōu)劣。對(duì)于壓制干擾，相控陣與MIMO雷達(dá)具有同樣的接收陣列，抗干擾的性能相當(dāng);接收陣緊湊布置時(shí)，MIMO雷達(dá)的抗轉(zhuǎn)發(fā)干擾性能優(yōu)于相控陣?yán)走_(dá);接收陣稀疏布置時(shí)，相控陣?yán)走_(dá)由于不需要抑制柵瓣方向的轉(zhuǎn)發(fā)干擾，而MIMO雷達(dá)需要抑制，抗干擾性能較好。

參考文獻(xiàn)

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[2] 李建，斯托伊卡. MIMO雷達(dá)信號(hào)處理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2013：152-153.

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[4] 韓昭，王強(qiáng)，唐立科. 對(duì)相控陣?yán)走_(dá)自適應(yīng)旁瓣對(duì)消的多點(diǎn)源壓制干擾[J]. 航天電子對(duì)抗，2017，33（2）：17-21.

作者簡介

李銳洋（1988-），男，陜西西安人;畢業(yè)院校：電子科技大學(xué)，專業(yè)：信號(hào)與信息處理，學(xué)歷：博士研究生，現(xiàn)就職單位：中國電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所，研究方向：雷達(dá)信號(hào)處理。