MIMO雷达综述

MIMO雷达综述摘要：雷达采用多个发射天线，同时发射相互正交的信号，对目标进行照射，然后用多个接收天线接收目标回波信号并对其进行综合处理，提取目标的空间位置和运动状态等信息。在分布式MIMO雷达中，多个发射天线的空间分布很广，多个发射信号从不同的角度照射目标，虽然由于目标RCS的起伏会使目标对单个发射波形产生的回波会表现出剧烈的起伏，但经过接收端对多个信号回波的综合处理后，目标回波的信噪比表现出近似稳定的信噪比，从而可以有效的克服目标闪烁引起的雷达检测性能下降问题。本文以相参MIMO雷达为研究对象，讨论MIMO雷达的原理，并分析其要的优点及缺点，为对MIMO雷达的对抗提供对象知识。关键字：MIMO雷达；自适应波束形成；阵列信号处理Abstract:Radarusesmultipletransmitantennasatthesametime,transmitthesignaltothetarget,thenthetargetisilluminated,andthenthetargetechosignalisreceivedbyapluralityofreceivingantennasandthetargetechosignalisreceivedandprocessed.InthedistributedMIOMradar,thespatialdistributionofmultipletransmitantennasisverywide,andmultipleemissionsignalsfromdifferentanglesareilluminated,althoughthetargetRCScancausethetargettoproducetheechoofasingletransmitwaveform,itcanshowdramaticupsanddowns,butafterreceivingacomprehensivetreatmentofmultiplesignalecho,theSNRoftargetechoismorestablethanthatofthesignaltonoiseratio,soastoovercometheproblemoftheperformancedegradationcausedbytheradardetection.Inthispaper,MIMOcoherentradarastheresearchobject,theprincipleofMIMOradarisdiscussed,andtheadvantagesanddisadvantagesofMIMOradarareanalyzed,andtheknowledgeofobjectknowledgeisprovided.KeyWords:MIMOradar;adaptivebeamforming;arraysignalprocessing1.引言多输人多输出系统(MIMO，Multipleinputmultipleoutput)原本是控制系统中的一个概念，表示一个系统有多个输入和多个输出．如果将移动通信系统的传输信道看成一个系统，则发射信号可看成移动信道(系统)的输入信号，而接收信号可看成移动信道的输出信号。从上个世纪90年代中期以来，贝尔实验室等先后提出在无线通信系统中的基站和移动端均用多天线的方案，即对移动信道这样一个系统而言，有多个信号输入和多个信号输出(MIMO系统)。由于MIMO通信系统可获得空间分集增益，能显著地提高移动通信系统在衰落信道条件下的信道容量，特别对大的角度扩展信道(极端情况是2π)，其性能改善犹为明显，理论分析表明，信道容量与收发两端天线阵元数有直接关系。雷达目标在不同的散射方向提供了丰富的散射信号，考虑地物等环境对目标不同部分散射信号的反射。雷达接收的信号应是各多径信号的叠加．具有与通信中角度扩展相似的特性，因此，相距一定间隔的两个接收天线接收的信号可以是相互独立的。另外，雷达目标具有明显的闪烁特性，理论和实验均表明，雷达目标在姿态和方向上的微小变化，都将导致雷达回波(即RCS，雷达截面积)的严重起伏，可达10—25dB。这种回波信号的起伏十分类似于移动信道的信号衰落，将严重影响常规雷达的探测性能。可见，雷达回波信号具有某些与移动通信信道相似的特性，将已在移动通信中得到深入研究的MIMO概念，引伸应用于解决雷达信号接收和目标探测问题，应是一种可行的尝试。MIMO(Multiple-Input-Multiple-Out-put)技术能使雷达系统通过独特的时间--能量管理技术实现多个独立宽波束同时照射，是近年来雷达领域提出的一种全新的雷达体制,并已引起学者们的广泛关注。在2003到2004年的一些雷达会议上,如the37thAsilomarConferenceonSignals,SystemsandComputers,the38thAsilomarConference，以及2004IEEERadarConference,学者们正式提出MIMO雷达的概念，并设立专题讨论了相关的理论问题。由此展开了国内外对MIMO技术在雷达中的应用研究。MIMO雷达同时采用多信号发射、多信号接收,多信号之间可以是时域、空域或极化域分离的,具有处理维数更高、收发孔径利用更充分、角分辨率更高的优点。MIMO雷达利用目标散射的空间分集引起的回波信号去相关特性,使回波平均接收能量近似于恒定(对空中目标的RCS进行平滑),改善目标RCS起伏、提高检测性能和目标的空间分辨力。将MIMO理论应用于雷达领域，根据经典的雷达探测理论。可从下面四个方面进行性能方面的评判：其一是雷达检测目标的能力和可靠性；其二是对目标参数估计的精度；其三是对多目标的分辨能力；其四是目标参数估计的模糊性。2.MIMO原理及分类基于多阵元天线结构,M发N收的MIMO雷达同时发射相互正交的信号,这些多波形信号经由目标散射被N个接收阵元接收。由于正交关系,多个发射信号在空间中能够保持各自的独立性,这样从发射阵到接收阵在空间中就能够同时存在MN个通道,每个通道对应一条特定的发射阵元到目标、目标到特定接收阵元的路径组合,通道的时延与目标和收发阵元的位置有关。接收端的每个接收阵元都使用M个匹配滤波器分别对M个发射波形进行匹配,通过正交性分选可以得到MN个通道回波数据。每个发射阵元的发射信号都被所有的接收阵元接收,反过来也就是说每个接收阵元都接收所有发射阵元的发射信号。这样通过发射阵元与接收阵元的一一配对能够产生出成倍于物理接收阵元数目或发射阵元数目的观测通道。MIMO雷达全向发射相互正交的信号,使得多发射波形在空间无法进行波束形成,这样发射波束主瓣增益将降低到原来的1/M,同时每个子阵发射功率变为原发射总功率的1/M,在距离R处的功率密度仅为原来的1/M,考虑功率衰减与距离平方的反比关系,雷达的抗信号截获性能明显提高。MIMO雷达实际上是一种多通道雷达系统,多通道数据进行联合处理有助于提高雷达的各项性能。2.2MIMO阵列对空成像雷达目前的对空成像技术主要有逆合成孔径雷达(ISAR)和实孔径雷达。ISAR成像需要一定的时间积累,实时性很差;还要解决目标的运动补偿,由于非合作高速机动目标运动状态具有不确定性,运动补偿较难实现。实孔径技术利用单发多收的大规模真实阵列成像,该技术具有实时成像、不需要对目标进行运动补偿的优点,但却存在阵列规模过大、造价昂贵的缺点。MIMO阵列则是解决上述问题的可行方法。MIMO雷达的虚拟阵元技术具有扩展实际物理接收阵列孔径长度的优点,因此,可以通过合理的天线布阵形成大孔径的等效接收阵列来实现高分辨对空成像。由于MIMO雷达的并行多通道空间采样能力,MIMO阵列对空成像将具有实时性的优势。由虚拟阵元技术计算式（下面推到式（14）式观察可得）1rNr进一步可得到00sin(1)sintrdNdcc（15）那么,式(14)所对应的MN元等效接收阵列将是无重叠等间距的,阵元间距rdd。当收发阵列相距较近,在远场情况下可以近似00,此时式(15)的条件将变为(1)trdNd。这时收发阵元间距相对关系固定,更利于实际实现。MIMO雷达技术是一种有效的实时阵列合成技术。因此,将MIMO雷达技术与实孔径雷达相结合来构建MIMO阵列成像雷达将是一种可行的对空成像技术。这种新体制成像技术能够避免传统ISAR中存在的运动补偿难题,又有实孔径成像难以相比的高方位分辨能力,具有重要的学术和应用价值。2.3MIMO-SAR雷达MIMO雷达技术与合成孔径雷达(SAR)系统结合的MIMO-SAR雷达是解决传统SAR中脉冲重复频率(PRF)在满足方位向高分辨与大测绘带之间矛盾的有效方法。一般SAR系统对地观测时要求观测带的宽度要大,同时方位高分辨也必须得到保证,但两者往往不可兼得。大测绘带宽要求低的PRF来防止距离向的模糊出现,而方位向高分辨要求高的PRF以避免多普勒模糊出现。而MIMO技术应用于SAR,能够实现以低的PRF同时满足大测绘带和方位向无多普勒模糊出现。由于MIMO雷达具有并行多通道空间采样能力,MIMO-SAR雷达一次脉冲发射就能够得到MN路方位向空间采样数据。如果这MN个通道数据在方位向是均匀不重叠分布的,那么MIMO-SAR雷达的脉冲重复频率就可以降低为原有SAR系统的1/(MN)，将MIMO阵列与SAR相结合就可以通过增加少量收发阵元来有效解决传统SAR的方位高分辨与大测绘带之间的相互制约问题。此外,目前三维SAR可以通过二维SAR加上干涉法测高来完成,而利用较少天线数目的MIMO面阵加上SAR来进行三维成像也将是一个非常有吸引力的研究。MIMO雷达技术可以利用虚拟阵元技术来增加系统的方位向采样速率或采样密度,这对于同样依赖合成孔径技术的探地雷达(GPR)和穿墙雷达(TWR)系统而言同样具有借鉴意义。3.MIMO雷达的优缺点3.1MIMO雷达的优点3.1.1MIMO雷达的抗截获优势传统雷达为了检测到RCS较小的目标，往往采用高峰值功率，从而易于被敌方的ELINT系统截获到，由于雷达探测目标时信号经过了双程传输的衰减，而ELINT系统截获雷达的信号只经历了单程的衰减，因而ELINT系统相对雷达具有距离上的明显优势。由于ELINT系统能够提前发现威胁雷达的细节，因而有足够的时间采取相应的措施(针对性的电子干扰或安全航路规划)，从而能够显著的提高战斗平台的存活率，降低雷达武器系统的作战效能。MIMO雷达不同于传统雷达，降低了峰值辐射功率和发射天线增益。与具有相同阵元数的相控阵雷达相比，MIMO雷达的峰值功率为相控阵雷达的1/M，发射天线增益也是相控阵发射增益的1/M。MIMO雷达系统，在接收端经过MIMO处理的目标信噪比是232404TTtRMSttPGGGBSNRMRkTFB3.1.2MIMO雷达的ECCM优势当MIMO雷达采用双/多基地的配置形式时，接收阵和发射阵相距很远,即能够截获到MIMO雷达的信号,也无法确定接收阵所在的位置.从而具有良好的抗反辐射打击和反电子干扰能力。如典型的舰载无源综合孔径脉冲雷达_5j(目前已经实现的一种MIMO雷达)，利用岸上的大型稀布阵发射多个正交信号,在舰上安装多个小型接收阵列,可以有任意多个接收站,从而构成岸一舰双多基地式MIMO雷达。由于接收阵不发射信号,因而具有良好的ECCM特性。3.1.3MIMO雷达的虚拟阵MIMO雷达的另一个明显的优势是可以利用少数实体物理阵元形成具有多个虚阵元的虚拟阵列_6j，从而扩展了阵列的孔径，提高了阵列的角度分辨力。MIMO雷达虚拟阵的一个典型应用是用于雷达二维成像，雷达二维成像的距离分辨力主要取决于雷达信号的带宽，方位分辨力主要取决于天线的波束宽度。要提高成像的距离分辨力，需要增加雷达信号的带宽，是相对比较容易的。而要提高雷达信号的方位分辨力，需要增大天线或阵列的孔径，而这在实际中受到多方面因素的限制，有很大的难度。目前广泛采用的解决办