【《MIMO雷达波形设计基本理论基础概述》3400字】

-PAGEIII-MIMO雷达波形设计基本理论基础概述目录TOC\o"1-3"\h\u19856MIMO雷达波形设计基本理论基础概述 1189921.1MIMO雷达原理及特点 154041.1.1MIMO雷达基本原理 1100201.1.2MIMO雷达特点 3146101.2MIMO雷达信号处理过程 425291.3MIMO雷达正交波形及设计准则 51.1MIMO雷达原理及特点1.1.1MIMO雷达基本原理MIMO概念是在通信领域开发的，它在发射和接收侧使用多个发射天线和多个接收天线，信号通过发送和接收侧的多个天线进行发送和接收，从而改善了每个用户的服务质量[5]。研究表明，MIMO技术可以利用信道提供的空间复用技术来增加信道容量，还可以利用信道提供的空间分集技术来提高信道可靠性并降低误码率。MIMO技术的基本思想是在发送侧分离信号并在接收侧合并来自天线的信号，从而通过误码率（BER）或数据速率提高每个MIMO用户的传输质量从而提高网络服务质量。MIMO雷达将MIMO技术的基本思想应用于雷达系统，从而提高了雷达检测目标的性能指标，包括抗干扰能力，低拦截能力，较差的目标检测能力等[3]。像MIMO通信一样，基本结构MIMO雷达的原理是具有多个发射阵列和多个接收阵列。MIMO雷达的操作如图2-1所示。在发送侧，MIMO雷达的发送矩阵M的元素发送相互正交的发送信号。所发射的信号可以在空间上保持相互独立。它们通过空间传输通道到达目标，然后被目标散射并被N个接收阵列接收[5]。图2.1MIMO雷达工作示意图MIMO雷达信号的接收端示意图如上图2.2所示，接收端的每个接收元件都使用匹配的滤波器组M来匹配从目标M接收到的反射。MN信道的返回可以通过正交排序获得波浪数据。从发送元素到接收元素，M×N个通道可以在空间中同时存在。在空间中共存的多个监视信道允许MIMO雷达实时收集具有不同幅度，延迟或目标相位信息的回波数据。来自并行多通道雷达系统的数据的联合处理可以提高雷达性能，这是MIMO雷达系统的主要优势。由于MIMO雷达全向信息发射的相互正交的信号，信号的独立性使得发射的信号不能在空间中具有高增益的窄波束中一致地重叠，而是形成具有低增益的宽波束，从而使发射波束的主瓣增益将减小到原始的1/M，每个子矩阵的发射功率变为原始总发射功率的1/M，而且远程功率密度仅为原始总发射功率的1/M。在距离的平方中，显着提高了雷达信号的拦截效率。类似地，当MIMO雷达接收到一个接收信号时，它也是一个宽波束接收，并且N个接收子阵列接收由M个传输子阵列发射的叠加正交信号[5][6]。为了匹配信号，必须在每个接收子阵列之后连接匹配的M个滤波器。图2.2MIMO雷达接收端因此，N个接收网格总共具有N×M个匹配滤波器，并且每个滤波器与正交传输波形匹配，并且可以恢复由传输光栅传输的信号。合成后，在接收端形成等效传输。发送以接收完整的回声[1][3]。由于每个发射和接收单元的数量和位置是已知的，因此将匹配滤波器产生的信号进行偏移和求和，以在一个或多个方向上形成组合的接收光束，以用于后续的目标检测和跟踪。MIMO雷达主要在MIMO技术中使用空间分集技术来提高复杂雷达的性能。1.1.2MIMO雷达特点如上一节所述，在采用MIMO雷达系统之后，MIMO雷达的整体性能得到了改善，其具体优势体现在以下几个方面：（1）抗截获性能提高根据雷达方程，力密度可以表示为（2.1）（2.1）其中，P是信号的传输功率，R是目标与传输矩阵元素之间的距离。MIMO雷达的前端发射子矩阵元素M，每个子矩阵的发射功率为原始总发射功率的1/M。因此，MIMO雷达力密度可以表示为公式（2.2）（2.2）比较(2.1)和(2.2)可发现，如果确定了发射阵列与目标之间的距离，则MIMO雷达的功率密度仅为普通雷达的1/M。并且由于功率与距离成反比，因此在检测接收机灵敏度上采用MIMO雷达系统，截距大大缩短，因此可以得出结论，MIMO雷达的抗拦截性能显着提高。（2）MIMO雷达增加了雷达的最远射程在雷达的原理和系统中，我们了解到最大雷达范围可以表示为公式（2.3）：（2.3）其中P为雷达信号的发射功率，G为信号天线増益，σ为信号散射截面积，为雷达天线的接收面积，为最小的信号检测功率。MIMO雷达信号上发射端有M个发射阵列，接收端有N个接收网络，天线增益，，天线的增益和雷达天线接收区域的1/4的功率与雷达的最大范围成正比。可以看出，在雷达力P和雷达最小检测力相同的条件下，MIMO雷达的射程大大提高。类似地，可以分析出，当工作距离相同时，MIMO雷达的功耗率也很高。（3）提高检测弱目标的能力假设一下代表接收到的最大目标力，R代表雷达接收器通道的动态范围。为了满足限制连接的失真并且雷达系统中的功率不饱和，可以将雷达可以检测到的最小目标力表示为－R。我们知道雷达的清晰度与雷达发射的光束的增益成正比。在MIMO雷达系统中，前端发送正交波形M，并且相应的前束增益可以减小M。因此，MIMO雷达也接收力。在与接收通道的动态范围相同的条件下，MIMO雷达可以减小系统确定的最小目标力。即，可以检测到较弱的目标，换句话说，改善了用于检测较弱的目标的雷达性能。在实际应用中，检测低速目标（例如处于严重拥挤状态的坦克和轮船）非常有用[3][6]。（4）速度分辨率得到改善，低速目标检测能力得到改善在MIMO雷达的远端发射出大束波，由（2.1）可知，似乎MIMO雷达的功率密度降低了1/M，与普通雷达相比，侦察机的观测距离之比为：（2.4）从这个角度来看，在相同范围的情况下，MIMO雷达可以享受更长的累积时间，这意味着信号脉冲可以增加。根据傅立叶变换理论的分析，透射波长越高，频率分辨率越高，根据，可以看出，可以提高速度分辨率，即低速目标的检测性能更好[6]。提高了MIMO雷达角度测量的精度MIMO雷达的角度测量之误差为普通雷达的1/。1.2MIMO雷达信号处理过程MIMO雷达的研究自然离不开信号处理，要研究MIMO雷达发射波，就需要了解MIMO雷达信号的一系列处理过程。本节主要介绍基于MIMO雷达模型的MIMO雷达信号处理过程。MIMO雷达系统的信号处理首先传输正交波形信号M个发射目标阵列元素，并且信号在空间传输通道中产生衰落和时移以到达目标。由于空间接收通道中的时间延迟。接收天线从N个接收阵列元件中接收阵元信号，通过适当的滤波器组，分离不同的传输信号，并接收总计N×M的信号输出。然后，使用数字波束成形技术获得高利润多星覆盖被发射光束照射的空间区域，从而实现了接收光束的形成。通常，雷达系统信号处理还包括以后的MTI，MTD和常量错误警报（CFAR）处理。尽管此处理是必需的，但本文不涉及上述处理，因此将不对其进行讨论。MIMO雷达信号首先要使各发射天线发射的雷达阵元信号为，…，目标是点目标，θ是所发送的M个信号与目标之间的角度。还假设接收到的阵列元件的角度为θ，θ相同，并且阵列元件之间的距离也相同，d表示该距离。MIMO雷达沿该方向发射信号的波形，并通过传输通道到达目标，此时信号表示为。（2.5）为信号阵元衰减因子，表示式子在相对第一个发射阵元到达目标上的时延。，c表示光速。如果前向矩阵的元素之间的传输是脉冲压缩信号，那么（2.6）由此可推导出：（2.7）为了便于分析，忽略了传输过程中的损耗，目标散射特性，传输延迟和噪声的影响，可以将来自第n个接收天线的信号大大简化为：（2.8）其中，在第n个接收阵列元件的回波信号通过适当的滤波器组之后，可以分离每个发射信号和M个发射信号分量。通过相应的匹配滤波器输出的第k个发送信号的输出可以定义为：（2.9）其中，。这里假设发射波形是完全正交的，因此公式各处的互相关为零[1][2][5]。1.3MIMO雷达正交波形及设计准则MIMO雷达的一般工作条件是，当前向阵列元件将信号击中目标时，目标调制发射信号并将其发送到接收器，并且所有目标信息的内容都包含在此回波信号中[1][3][7]。对于接收端的信号处理，我们使用合适的滤波器组将每个传输信号的回声一一分开，并使用有效回声信息来估计目标的位置，速度和其他信息。在上一节中，我们分析了MIMO雷达是基于正交信号的。从理论上讲，我们需要正交且彼此独立的发射阵列元件的波形。但是，实际上，由于诸如波形的时间延迟之类的因素，没有完整的正交波形。但是，在MIMO雷达中，为了确保可以在适当的滤波下有效分离合成信号，该波形需要时间。它在域中具有良好的相关性，这使信号接近正交。我们可以将几乎正交的波形视为真正的正交波形。本文中的正交波形设计以模糊函数为准则，自相关特性为准则。MIMO雷达的设计评论包括以下两个重要方面：（1）自相关特性，雷达系统需要检测弱目标或抑制干扰以及强回波，因此发射