MIMO雷达发展趋势与展望.docx

MIMO雷达发展趋势与展望一、 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。将此概念与目标RCS起伏相结合，建立MIMO模型，则得到一种全新的雷达体制。二、 现状MIMO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。三、 关键技术与原理雷达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，都将导致雷达回波有类似于信道衰弱的起伏。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。图1 给出了上述工作原理的示意图。图1中的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。另外, 由图1 可以看出, 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。MIMO 雷达使用多个正交的信号来探测目标, 接收端的每个阵元接收所有发射信号并通过匹配滤波组分选得到多路回波, 从而引入了远多于实际物理阵元数目的观测通道和自由度, 与传统的单/ 多基地或相控阵雷达相比极大地提高了雷达的总体性能。空间并存的多观测通道使得MIMO 雷达能够实时采集携带有目标不同幅度、时延或相位信息的回波数据。这种并行多通道获取信息的能力正是MIMO 雷达的根本优势所在。虚拟阵元技术M 发N 收的MIMO 雷达系统可以得到MN 个观测通道, 各观测通道的传输路径由某个发射阵元到目标和目标到某个接收阵元两部分构成, 通道的时间延迟可以表示为, 其中和分别为目标到相应的收、发阵元之间的时延。利用相应的发射波形对这MN 个观测通道进行匹配滤波, 输出一个相对时延矢量, 可以写为 （8）与式( 8) 中这些时延相对应的导向矢量为 (9)式中表示载频。式( 9) 中每个元素都由两部分组成, 分别定义发射导向矢量和接收导向矢量为 (10) (11)则MIMO 阵列的导向矢量可以用式( 10) 和式( 11)来联合表示: (12)式中, 表示Kronecker 积运算。在紧凑阵列条件下, 发射阵列的孔径长度远远小于发射阵列到目标的距离, 这时图中的此时满足条件其中。由此, 式( 10) 可以写为 (13)用式( 13) 代替式( 12) 中的, 得: (14)因此, 式( 14) 可以看作是由发射阵元1 单独发射,MN 个等效接收阵元接收的阵列形式。其中, 等效接收阵列的前N个阵元与MIMO 雷达中的物理接收阵元对应, 而后面的(M - 1)N 个阵元相对于发射阵元1 而言就是虚拟的接收阵元。虚拟阵元技术给MIMO 雷达带来诸多优点:虚拟阵元可以扩展原有物理接收阵列的孔径长度, 从而产生更窄的波束方向图, 提高阵列的空间分辨率; 虚拟阵元还可以和物理阵元重叠, 以加权的形式产生更低的旁瓣; 对于物理阵元间隔大于半波长的阵列, 虚拟阵元对物理接收阵列内插,这时的角度测量仍可以无模糊地实现; 虚拟阵元还能够提高物理接收阵列的自由度, 增加目标的最大可辨识数目。由此, 应用虚拟阵元技术来改善现有雷达系统的性能将是一条行之有效的技术途径。四、 发展前景1. 新一代MIMO米波雷达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。2. 与运动平台相结合的MIMO微波雷达MIMO微波雷达既能保证天线的窄波束，也能使天线小型化，可以与运动平台相结合使用，能发展成如MIMO雷达舰船编队，MIMO雷达飞机编队，空地、空海双基地雷达。这使得MIMO微波雷达使用更加多元性和可变性。五、 个人总结MIMO雷达实际上就是多个发射机和多个接收机共同工作，同时完成对目标的收索与检测。其根本的出发点是实际过程中将雷达的RCS看作是个起伏的随机量，通过将其类比于MIMO系统中的衰弱，用其相关的检测理论就能达到雷达的要求。相比之下MIMO雷达有着自身的独特优点，不仅能小型化，还能实现低概率检测，这一