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: Radar uses multiple transmit antennas at the same time, transmit the signal to the target, then the target is illuminated, and then the target echo signal is received by a plurality of receiving antennas and the target echo signal is received and processed.In the distributed MIOM radar, the spatial distribution of multiple transmit antennas is very wide, and multiple emission signals from different angles are illuminated,although the target RCS can cause the target to produce the echo of a single transmit waveform, it can show dramatic ups and downs, but after receiving a comprehensive treatment of multiple signal echo,the SNR of target echo is more stable than that of the signal to noise ratio,so as to overcome the problem of the performance degradation caused by the radar detection.In this paper, MIMO coherent radar as the research object,the principle of MIMO radar is discussed, and the advantages and disadvantages of MIMO radar are analyzed, and the knowledge of object knowledge is provided.Key Words:MIMO radar; adaptive beamforming; array signal processing1. 引言多输人多输出系统(MIMO，Multiple input multipleoutput)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2)，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1025dB。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the 37th Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers, the 38th Asilomar Conference，以及2004 IEEE Radar Confer ence, 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）进一步可得到 （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。当收发阵列相距较近, 在远场情况下可以近似, 此时式( 15) 的条件将变为。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ISA R 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。2.3 MIMO-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3.1 MIMO雷达的优点3.1.1 MIMO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M IMO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法是采用合成孔径技术，在不增加天线物理尺寸的基础上，得到大孔径的阵列。与合成孔径的思想不同，MIMO雷达是利用多发多收的天线结构等效形成虚拟的大孔径阵列，获得方位上的高分辨力。而这种虚拟阵的形成是实时的，能够避免传统的ISAR成像中存在的运动补偿问题。故MIMO雷达在成像应用上有其独特的优势。3.2 MIMO雷达的缺点3.2.1 MIMO雷达的信噪比损失MIMO雷达与传统相控阵雷达相比，存在着系统信噪比的损失_7j。由于个发射阵元(子阵)发射相互正交的信号，无法在空间实现相干叠加，导致发射天线阵的增益降低，进而导致系统的信噪比降低。可以证明：对于有个发射阵元(子阵)的MIMO雷达，其系统信噪比为相同配置的相控阵雷达的1/M倍。例如采用10个工作波形的MIMO雷达，其系统信噪比与相控阵雷达相比较，要低10dB。可以证明，MIMO雷达要达到与相控阵雷达相同的检测性能，需要倍于相控阵雷达的脉冲积累时间。由于MIMO雷达采用宽波束发射，同时多波束接收，一次积累时间内观测的空域范围大大宽于相控阵雷达，完成对整个探测空域的搜索时间与相控阵雷达大抵相同。在搜索状态下，MIMO雷达的信噪比损失虽然可以说是一种牺牲时间来换取空间的做法，但增加相干积累时间的方法在工程实现中存在诸多问题，如接收通道的成本、复杂性、目标散射及其传播路径的变化等。在对高速目标进行探测时，增加相干积累时间尤为困难。而在跟踪状态下，MIMIO雷达的信噪比损失则是没有获得任何好处 ， 所以MIMO雷达不适合于做目标跟踪以及对目标进行“ 烧穿” 工作 。3.1.2 M IM O雷达模糊函数的清晰区模糊函数是描述雷达信号目标检测性能的重要工具。对于使用了个具有相同能量、带宽 和占空比的信号的MIMO雷达，其模糊函数在主峰周围的最大的清晰区不会超过4/M。而常规的使用单个波形工作的相控阵雷达，其模糊函数的清晰区的面积上限为4。即MIMO雷达模糊函数的清晰区面积只有传统雷达模糊函数清晰区面积的1/M。相当于MIMO雷达可用于目标检测的距离一多普勒空间被压缩了倍，导致MIMO雷达在目标检测时更容易出现距离折叠或多普勒模糊，这将极大的限制 MIMO雷达的目标检测性能。这也是现有的可实现的MIMO雷达基本上都工作于米波波段的原因之一，因为在米波波段，目标的多普勒频率较低，即使雷达选择较低的工作重频也不会出现多普勒混叠，而低重频又可以避免距离上的折叠。但米波波段的缺点是导致MIMO雷达的体积太大，应用场合受限。3.2.3虚拟阵易受干扰MIMO雷达虚拟阵元的形成是将具有不同相位中心的发射阵元和接收阵元等效为一个虚拟的相位中心而得到的。这种虚拟的相位中心的缺点是容易受到干扰，因为等效相位中心的稳定存在需要接收阵元和发射阵元以及目标之间存在较为稳定的电磁波传输关系，但在外部有源干扰的情况下，干扰天线发射的干扰信号也可以通过空间辐射进入到 M IM O 雷达的接收阵元，从而破坏掉MIMO雷达的接收阵元和发射阵元之间的形成的等效相位中心， 使MIMO雷达无法形成虚拟阵。在外部有源干扰的情况下，MIMO雷达的阵列孔径仍为实体物理阵元所形成的孔径，无法获得扩展的虚拟阵。4.发展趋势在隐身技术日益成熟, 应用于飞行器、反辐射导弹对雷达的威胁越发紧迫, 快速目标使常规旋转式雷达“捕捉”困难。微波波段如美军的X-GBR雷达, 具有探测太空间和临近空间目标的能力, 但是, 造价太高,而且对隐身目标探测性能大大降低。因此, 米波谐振雷达反隐身的关键在于寻找适当的频率段, 使其工作频率与目标谐振增大目标的RCS。由于不同的目标, 谐振频率不同, 而目标空中运动姿态的不同, 其谐振频率也是不同的, 这就需要根据不同目标的谐振频率范围, 利用目标识别技术,建立各种目标的谐振频率数据库, 在对目标进行探测时, 利用谐振数据库, 选择适当的频率, 与目标产生谐振, 发挥谐振雷达反隐身能力。米波雷达也具有探测隐身目标的能力, 但是, 早期的米波雷达受到天线尺寸的限制, 存在抗干扰能力差、精度不高的缺点。目前使用的米波雷达频率仍然偏高, 不利于隐身飞机目标的探测。新型MIMO 米波雷达通过使用米波低端的宽频带天线, 采用收发分置的雷达体制, 结合现代雷达的各种技术, 可以满足同时探测临近空间目标和高空隐身目标的要求。针对隐身飞机的隐身手段, MIMO 米波雷达除了米波雷达反隐身的手段外, 同时采取谐振效应和分集增益反隐身。5.结束语MIMO雷达作为一种新体制的雷达，有其独特的优势，但也存在着种种缺点，这需要雷达界的研究人员发挥聪明才智，扬其长而避其短，推动微波波段MIMO雷达的工程化。电子对抗界研究人员，也有必要对MIMO雷达进行深入的对象研究，以期利用其缺点，针对其优点，探索出对MIMO雷达的高效对抗技术。参考文件1美斯托伊卡.MIMO雷达信号处理M.第一版.北京: 国防工业出版社,2013.2强勇,张冠杰.MIMO雷达进展及其应用研究J.火控雷达技术,2010,39(1): 110.3 E Fisher,eta1.MIMO radar: An idea whose time has comeC /Philadelphia PA :Proceedings of the IEEE Radar Conference.2004: 7 1 78.4夏威.MIMO雷达模型与信号处理研究D.电子科技大学,2004.5陈伯孝,许辉,张守宏.舰载无源综合脉冲/孔径雷达及其若干关键问题J.电子学报,2003, 31(12 ): 1776 1779.6 B.J.Donnet,I.D.Longstaff.MIMO Radar,Techniques and OppoortunitiesC /Manchester UK,Proceedings of t he 3rd European Radar Conference.200 6: 112 115.7 Fred Daum,Jim Huang.MIMO Radar: snake oi l or good idea C / IEEE Waveform Diversity and Design Conference.2009: 183 187.