MIMO雷达体制简介PPT课件

1、.,1,MIMO雷达体制简介,学院：四院八队 学号：XS13042008 姓名：田遥岭,.,2,MIMO雷达研究背景,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，Bel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

2、，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。,.,3,MIMO雷达研究背景,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

3、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。,.,4,MIMO原理,.,5,MIMO原理,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。

4、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。 。,.,6,MIMO原理,.,7,MIMO分类,MIMO 阵列对空成像雷达 MIMO-SAR 雷达,.,8,MIMO 阵列对空成像雷达,.,9,MIMO-SAR 雷达,MIMO 雷达技术与合成孔径雷达( SAR) 系统结合的MIMO-SAR

5、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

6、重复频率就可以降低为原有SAR 系统的1/ ( MN) ，如图所示,.,10,MIMO雷达发展趋势,1.开展新一代MIMO米波雷达研究 2.发展与运动平台相结合的MIMO微波雷达,.,11,新一代MIMO米波雷达的研究,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。 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,

7、 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。,.,12,1) 利用谐振现象反隐身 MIMO 米波雷达使用的工作频率低, 波长能和绝大多数飞行器形成谐振关系。一旦发生谐振, 飞行器的RCS 就会大幅度增加。2002 年, 国内的米波谐振实验证明, 通过目标谐振, 可将目标的RCS 提高910倍。通过理论分析和实践可以看出, 对飞机这样的不规则体, 谐振

8、点很多, 可形成一个谐振区, 在这个谐振区内, RCS 会有一些起伏, 但总体呈现上升趋势。 2) 利用发射天线分集增益反隐身 普通单站雷达存在目标RCS 闪烁现象, 不同的观测角度RCS 起伏在20dB 以上, 对于隐身飞机也是如此, 虽然通过谐振频率可以提高目标RCS, 但是, 不同的照射方向目标RCS 起伏很大, 如下图所示, 这样雷达目标探测性能下降。统计MIMO 雷达存在分集增益, 目标RCS 可以看作一个平均值, 这样在反隐身及探测弱小目标上具有优势。特别是统计MIMO 雷达的接收系统使用同时多波束接收, 不存在波束追赶的问题, 可以大幅度提高雷达的发现能力, 既可以单发射站配多接

9、收站也可以多发射站配单接收站。如果使用相同频段, 也可以配合现有装备组成MIMO 雷达网。,新一代MIMO米波雷达的研究,.,13,新一代MIMO米波雷达的研究,F117 在35MH z( a) 和75MH z( b) 的RCS,.,14,发射分集的MIMO雷达技术,.,15,发射分集MIMO雷达特点： （1）雷达的抗信号截获性能明显提高 由于发射波束主瓣增益减小M倍，每子阵发射功率为原发射总功率的1M，在距离R处的功率密度仅为原来的，考虑功率衰减与距离的反比关系，雷达信号被截获距离将明显缩短 (2) 雷达的速度分辨力提高，有利于在强杂波中检测低速目标(如坦克、舰船等) (3) 雷达检测弱目标

10、的能力提高 当采用发射分集MIMO工作方式时，由于子阵发射功率和方向图增益均降低M 倍，使接收到的杂波功率降低，对同样的系统参数DR，可使雷达系统能接收和检测到RCS更小的目标信号 (4) 降低系统前端对频率稳定度、相位噪声和系统杂散的指标要求目前在强杂波中检测目标的常用技术是MTI或MTD，该技术对雷达系统前端的诸如频率稳定度、相位噪声和系统杂散等指标有极高的要求由于接收杂波功率减小，为达到同样的MTI或MTD指标，可降低对频率稳定度等指标的要求。,发射分集的MIMO雷达技术,.,16,与运动平台相结合的MIMO微波雷达,将MIMO 雷达与运动平台相结合, 是MIMO 微波雷达的一个发展方向。双多基地雷达为了保证测角精度, 接收阵一般做的很大, 无法放到防空武器战车上, 更不用说单兵携带了。在保证接收综合发射窄波束的前提下, 使接收阵小型化, 既是MIMO 微波雷达创新的地方, 也是它与常规双基地雷达相比突出的优势。这使构建MIMO 舰船编队, MIMO 飞机编队和空- 地、空- 海双基雷达系统成为可能。,