MIMO雷达基本原理

I目录1MIMO雷达基本原理及其特点................................................................................................................51.1MIMO雷达基本原理...............................................................................................51.2MIMO雷达的主要特点...........................................................................................92MIMO雷达正交信号设计及性能分析..................................................................................................132.1MIMO雷达正交信号.............................................................................................132.2正交单载波矩形脉冲信号（OFDM）.................................................................142.3正交线性调频矩形脉冲信号（OFDMLFM）....................................................162.4正交多相编码信号.................................................................................................243MIMO雷达信号模型与信号处理..........................................................................................................343.1信号模型.................................................................................................................343.2信号处理.................................................................................................................374系统仿真实验...........................................................................................................................................614.1波束形成仿真实验.................................................................................................614.2距离分辨性能仿真实验.........................................................................................634.3速度分辨性能仿真实验.........................................................................................664.4平台综合仿真实验.................................................................................................671为探测低空弱目标（如低空突防的隐身巡航导弹或隐身作战飞机），相控阵雷达系统（特别是岸基和舰载）通常采用大的功率孔径积（PAG）或高的峰值发射功率，这随之带来以下一些问题：（1）敌方电子侦察设备很容易截获雷达信号，然后施放大功率有源干扰，影响雷达的正常工作，同时，雷达也很容易受到反辐射导弹的攻击。（2）相控阵雷达在探测低仰角弱目标时，通常都是在强杂波背景、强干扰环境下进行的，这给雷达的接收动态范围提出了很高的要求。例如，相控阵雷达系统在接收时，既需要对强海杂波无限幅失真，又要能不失真地接收弱目标信号，这就要求雷达接收系统和模数转换器（ADC）有极高的动态范围，在目前的技术条件下，要实现如此高的接收动态范围是困难的。（3）为使相控阵雷达系统在强杂波背景下具有良好的动目标显示（MTI）和动目标检测（MTD）性能，要求系统前端具有较高的频率稳定度和较小的系统杂散等。（4）相控阵雷达系统还需要有更快的搜索速率、具有同时多功能（如搜索和跟踪）以及高的多普勒分辨率和角度分辨力，所有这些问题都使雷达系统设计变得非常复杂。为了解决这些问题，相控阵雷达通常在接收端采用数字波束形成（DBF）技术。在DBF系统中，模数转换（A/D）在阵列的每个阵元中完成，因此减小了对A/D动态范围的需求，有利于形成接收数字多波束，加快搜索速率。但是相控阵DBF系统仍然像模拟波束形成（ABF）系统一样，在一个时刻只能观察一个窄的区域，通过波控扫描来搜索整个监视空域，搜索效率不高，在给定时刻也只执行单一的功能（搜索或跟踪）。本项目研究的基于正交信号体制的相控阵雷达（简称“正交信号相控阵雷达”或“正交波形雷达”）可有效地解决上述问题。正交波形雷达发射相互正交的波形，在空间不能形成高增益的发射波束，而是形成低增益的宽波束；接收时通过数字多波束接收。这样的体制带来了一些性能的改善：如可减小信号的截获距离，改善强杂波中检测弱目标及低速目标的能力等。理论上，信号被截获的距离降为原来的1/M（M是发射子阵或阵元数），强杂波背景中探测低速目标的能力提高M倍。宽波束发射能同时监测一个较大的空域范围，搜索时无波束切换和波束建立时间，雷达搜索效率和多目标跟踪能力可显著提高，而且不同的接收波束可以执行不同的任务（搜索或跟踪），实现同时多功能。正交波形雷达理念可广泛应用于陆基或舰载相控阵雷达系统，也可用于机载预警、机载火控相控阵雷达系统和直升机载对地探测相控阵雷达系统等，具有很大的灵活性。2由于正交波形雷达的发射系统采用多入多出（MIMO）形式，在大多数文献中，又将这种体制的雷达称为“正交信号MIMO雷达”。（二）国内外研究概况MIMO雷达采用多个天线接收并探测目标特性，其通常被定义为发射并接收时间、空间或者变换域分隔的多个独立信号的任意雷达。MIMO雷达可以看成相控阵雷达的进一步发展，信号形式及系统构成灵活，易扩展。MIMO技术首先在无线通信中得到研究及应用，其利用收发天线阵列的空间复用增益和空间分集增益来提高无线传输性能，对MIMO技术的研究主要集中在智能天线、信道模型、空间分集及空间复用等方面。20世纪70年代末，为了解决雷达探测隐身目标的问题和提高雷达抗反辐射导弹的能力，法国国家航天局提出了综合脉冲孔径（SIAR）雷达概念。由于大量使用的隐身飞行器的隐身材料都是针对厘米波段雷达而设计，因此隐身对米波雷达无效，故米波雷达可探测到隐身目标。但米波雷达由于信号波长大，要获得足够高的角度分辨率，要求米波雷达天线应有大的口径尺寸。为了在天线阵元数和口径尺寸间获得折中选择，SIAR采用大阵元间距的随机稀布阵形式。为了提高雷达抗反辐射导弹的能力，SIAR雷达采用将发射天线和接收天线分开放置的布阵方式，为了使SIAR雷达具有全向探测能力，通常采用大口径稀布圆环阵列形式。图1为SIAR雷达阵元布置俯视图，其中内环上的小圆圈代表接收天线阵元，外环上的双三角代表发射天线阵元。图1SIAR雷达阵元布置俯视图图2目标的雷达信号后向散射（波长：10厘米）SIAR雷达除了天线布置采用稀布方式外，工作原理也与普通相控阵雷达或稀布阵雷达不同，其独特之处在于SIAR雷达的每个天线发射的信号各不相同，并且相互正交，因此SIAR雷达的发射波束将是低增益的宽波束。而接收可采用数字波束形成技3术，形成多个同时接收波束，以覆盖发射波束所照射的空域。SIAR发射的正交波形，可以通过编码方式实现，简单的方法也可通过频分的方式实现，即每个天线发射信号的频率是步进递增的，步进增量为发射波形时宽的倒数。由于SIAR雷达采用了大阵元间距的稀布阵方式，且各阵元发射信号不同，就这两点而言，SIAR已有MIMO雷达的影子，是MIMO雷达的雏形。而在文献中提到的雷达，其利用了多个阵元发射相互正交的波形，已经被称为MIMO雷达。受MIMO通信发展及SIAR的启发，以及雷达对新理论和新技术的需求，两种MIMO雷达的概念被提出。一是美国麻省理工学院（MIT）林肯实验室（Lincoln）的Rabideau和Parker于2003年第37届Asilimar信号、系统与计算机会议（ACSSC）上提出的MIMO雷达概念。他们对MIMO雷达在宽搜索波束形成、低截获概率（LPI）、杂波抑制等方面的优势进行了理论分析，并设计了一个L波段实验系统，对其中的关键技术进行了实验研究。在同一届会议上林肯实验室的Bliss和Forsythe对不同结构下MIMO雷达的自由度、分辨力改善进行了分析，也对MIMO雷达如何利用空时自适应处理（STAP）进行地面动目标显示（GMTI）进行了研究。另一个MIMO雷达概念是贝尔实验室等人提出的收发全分集的MIMO雷达，如图2所示，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所接收的信号可能是相互独立的。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。由此可见，雷达回波信号具有某些与移动通信信道相似的特性，将在移动通信中已经被深入研究的MIMO概念，引伸应用于雷达信号接收和目标探测，应是一种可行的尝试。于是贝尔实验室将通信中的MIMO技术引入到雷达中，提出了收发分集的统计MIMO（S-MIMO）雷达概念，并对其信号检测能力、参数估计精度、目标分辨率等进行了分析。由于MIMO雷达提出的时间较短，目前直接以MIMO雷达概念开展后续研究的还主要局限于MIT林肯实验室、华盛顿大学、新泽西技术研究所、Lehigh大学、德拉瓦大学、贝尔实验室和英国的牛津大学等国外研究机构，信号形式也局限于窄带信号。4Rabideau对发射分集MIMO雷达的系统结构、匹配滤波、波束形成及性能改善方面进行了研究。Robey则建立了L波段和X波段的MIMO雷达实验系统用于研究低旁瓣的波束形成技术。而Bekkerman及Tabrikian对发射分集MIMO雷达的空间覆盖、方向图改善和昀大可检测目标数目等问题进行了研究，也对其在目标检测、DOA估计及CRB方面的性能改善进行了详细研究。Sammartino研究了目标模型对MIMO雷达性能的影响。牛津大学的Khan则通过实验系统对收发分集MIMO雷达模式下球状目标回波的信噪比改善进行了研究。在角度分集方面，新泽西技术研究所的Fishler等人分析了MIMO雷达角度估计均方差的Cramer-Rao限，并研究了角度分集增益对检测概率的改善情况。正交波形设计是MIMO雷达实现的关键问题，在发射信号优化方面，