MIMO体制雷达原理及关键技术分析

摘 要： 在对MIMO雷达的基本原理进行概述的基础上，重点分析了MIMO雷达设计时所涉及的主要关键技术，对关键技术实现的途径及常用方法进行了讨论和分析，最后提出了还需进一步研究的方向和主要内容。

关键词： MIMO雷达； 波形设计； 虚拟阵列； 天线布阵

中图分类号： TN951?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）23?0001?03

Principle of MIMO system radar and analysis of its key technology

GAO Jian?ping

（Unit 92932 of PLA， Zhanjiang 524016， China）

Abstract： Based on overview of the basic principle of MIMO radar， the main key technologies involved in the radar design are analyzed. The approach and common methods to realize the key technologies are discussed. At last， the direction and main contents in the further research are given in this paper.

Keywords： MIMO radar； waveform design； dummy array； antenna embattle

0 引 言

MIMO（多输入多输出）技术主要应用于通信系统。近年来，人们逐渐将该技术引入到雷达发展的研究当中。由于采用多个发射通道、多个接收通道，其目标探测能力、弱信号检测能力、速度分辨率方面都由于传统雷达。这使得它在目标的跟踪、参数估计、目标识别、成像等相关领域有非常好的发展前景。

1 基本原理

MIMO雷达与传统雷达设计的主要区别在于发射阵列和接收阵列不同。下面对其主要原理进行论述。

发射阵列在方位或俯仰方向都有[M]个数字收发单元，在空间每个子阵都在控制下，使信号相互正交，无法相干叠加成高增益的窄波束，相反，却形成低增益的宽波束，这样波束主瓣增益减小[M]倍，目标处的功率为传统相控阵模式的[1M。]

MIMO雷达发射阵列在空间生成模式如图1所示。

同样，MIMO雷达接收时，也是宽波束接收， [N]个接收子阵接收[M]个发射子阵发射的叠加正交信号。为使信号匹配，需在每个接收子阵后接[M]个匹配滤波器。因此，[N]个接收阵列共有[N×M]个匹配滤波器，每个滤波器分别匹配于一个正交的发射波形，就可以恢复出由单个发射阵发射的信号，合成后在接收端形成等效发射波束，从而得到完整的回波信号。由于各发射和接收单元的数量、位置是已知的，在对匹配滤波器输出的信号进行移相相加，便可以在一个或多个方向上形成联合接收波束，用于后续目标检测和跟踪。

MIMO雷达接收原理如图2所示。

图1 MIMO雷达发射阵列模式图

2 关键技术分析

2.1 发射信号设计和波形优化

2.1.1 发射信号设计

对于正交的发射信号，主要有三种：正交频分复用线性调频信号、正交多相编码信号、正交多频编码信号。

（1）正交频分复用线性调频信号

该信号突出特点是通过匹配滤波器可以起到脉冲压缩的作用，而且匹配滤波对回波信号的多普勒频率不敏感。每个子载波通过不同通道发射，每个信号占用不同的频带，通过接收系统信号处理，可以得到宽带效果，获得高分辨率，如式（1）所示：[si（t）=rect（t）expj2πfit+12μt2， i=1，2，，M] （1）

式中：[rect（t）=1Te，][t≤Te2，][Te]为发射脉冲宽度；[fi=f0+cif]为第[i]个发射天线的发射载频，[f]为频率间隔，且[Tef=1，][f0]为中心载频，[ci∈][0，±1，±2，，±M2]为发射信号频率编码；[μ]为线性跳频信号的调频斜率。

图2 MIMO雷达接收阵列模式图

（2）正交相位编码信号

其特点是易于实现数字化处理，信号一般具有优良的自相关性能；与线性调频脉冲压缩信号相比，不存在距离?多普勒耦合问题；而且具有良好的抗干扰性能。

[si（n）=ejφi（n），n=1，2，，N， i=1，2，，M] （2）

式中：[φi（n）（0≤φi（n）≤2π）]为第[i]个信号的第[n]个子脉冲的加载相位常数。

（3）正交多频编码信号

同正交多相编码信号相似，各脉冲串信号子脉冲载频规则地或随机地跳变，只要跳变量足够大，就可以使各子脉冲频谱互不重叠，从而使各发射信号自相关函数的旁瓣大大降低。

[s（t）=n=1Nej2πfint， i=1，2，，M] （3）

式中：[fin]表示第[i]个信号的第[n]个子脉冲的调制频率。调制序列[fi1， fi2，， fiN] 是[0，Δf，2Δf，…，（N-1）Δf]的任意排列，且[Δf=1TP。]

2.1.2 发射波形设计优化

MIMO雷达之所以具有良好的工作性能，是基于有效正交波形的产生。波形设计具有很大的灵活性，好的波形不但可得到低自相关旁瓣，获得高分辨力，还可以有效降低信号处理的复杂度。

目前波形设计方法主要有以下几种：

（1）基于波束图综合的波形设计及优化

对于MIMO雷达，发射信号的相关矩阵决定了信号的空间功率分布。当发射信号相互正交时，发射功率的空间分布为全向分布。因此，通过改变发射信号的相关矩阵就可以综合任意波束图。如何获得信号的相关矩阵是该设计方法的关键部分，一般情况下选择期望波束图与综合波束图的功率差作为优化目标，采用投影梯度搜索算法、遗传算法等来进行优化设计得到发射信号的相关矩阵。

（2）基于互信息量和最小均方误差的波形设计及优化

该问题就是在对发射信号进行约束的条件下，利用优化算法设计最佳的发射信号，使得在发射信号确定的情况下，雷达接收通道接收的信号达到最大。一般情况下，约束条件会选择雷达发射信号的功率，在此条件下，对由杂波的统计特性决定的协方差矩阵形成的子空间按照互信息量准则进行优化设计从而得到期望的发射信号。

（3）自适应波形设计方法

自适应波形设计就是设计自适应于目标的散射特性和杂波（包含噪声和干扰）的环境，使得系统具有较强的杂波抑制能力，最大化接收端的信噪比，以提高目标的检测性能。在目标的散射特性和杂波的统计特性已知的条件下，可以通过最大化目标接收端输出的信噪比来设计发射波形；在仅知目标的统计特性时，可以将发射信号功率集中在提供较强回波的目标频域部分，或者优化发射信号使得雷达照射目标函数与目标的散射函数相匹配，来提高接收端的信噪比；在仅知杂波的统计特性时，可以通过最小化接收端杂波能量来设计发射波形。

2.2 天线布阵设计

由于发射阵和接收阵的设计特性，必须设计有别于传统雷达的天线阵列。设计方法如下：

接收阵元对发射信号进行匹配滤波，形成同时多波束，从而产生比实际阵列数量多的虚拟阵元。如果采用收发同阵的布阵方式（收发阵元数为[M]），那么即使各发射信号正交，接收时所能形成的虚拟阵元的数目最多为[2M-1]个，而如果采用非均匀布阵方式，则形成的虚拟阵元的数目最多为[M2+M2。]如果收发分置，发射阵列为[M，]接收阵列为[N，]则形成的虚拟阵元数目最多为[M×N。]对于具有[M]个发射阵元，[N]个接收阵元，如果发射阵元间距为[dt=Ndr，]则其发射导向矢量式如式（4）所示：

[b（θ）=1，e-j2πλNdrsinθ，…，e-j2πλ（M-1）NdrsinθλT] （4）

接收导向矢量如式（5）所示：

[a（θ）=1，e-j2πλdrsinθλ，…，e-j2πλ（N-1）drsinθλT] （5）

则其形成的虚拟导向矢量如式（6）所示：

[c（θ）=1，…，ej2πλdr（N-1）sinθ，ej2πλdrNsinθ，…，ej2πλdr（N+N-1）sinθ，ej2πλdr2Nsinθ，…，ej2πλdr（NM-1）sinθT] （6）

由此看出，无论是发射阵元的稀布还是接收阵元的稀布，均可等效出比实际阵元数量多的虚拟阵元。同时，由于阵元稀布所带来的方向图副瓣的提高目前还没有很好的解决方法。因此，目前仍采用收发同阵的布阵方式作为该体制雷达天线系统研究的主要方向。

2.3 脉冲综合技术

脉冲综合，也称为空时匹配滤波处理。由于空间目标回波进行时域匹配滤波时，滤波器系数与方向有关，在进行“脉冲压缩”处理时，先对信号进行时域滤波处理。如图3所示，在接收通道，接收信号经过[MN]个匹配滤波器后，共形成[MN]个输出信号。然后对每个接收单元得到的[M]路输出进行移相求和处理，实现等效发射波束的形成，再对各接收阵元的[N]路输出进行移相求和处理，形成多个高增益的接收波束，多波束将覆盖发射波束所照射的空域范围。当然，接收波束的形成也可以在匹配滤波之前，先对所有的接收信号进行接收波束的形成，然后再进行匹配滤波，匹配滤波完成后再进行发射波束的形成，其最后结果和上述的方法得到的结果完全相同，但是两种处理方法的计算量有很大的差别，波束同时形成的运算量较大，但是需要的数据存储量较小。

图3 MIMO雷达同时多波束形成示意图

3 结 语

目前，MIMO雷达技术的研究结果主要集中在对其体制、机理、检测性能、参数估计以及发射波形设计等方面，模型都比较简单，基本没有考虑目标运动、多径影响等实际情况。因此，在未来的研究中更应该侧重解决实际问题。另外，由于该体制雷达起步不久，还需对发射的波形产生、优化、降低算法计算复杂度等方面做更多研究。

参考文献

[1] 成芳.正交波形MIMO雷达中信号处理与仿真试验研究[D].成都：电子科技大学，2008.

[2] 苗江宏.MIMO雷达性能与波束形成技术研究[D].成都：电子科技大学，2008.

[3] 刘波.MIMO雷达正交波形设计及信号处理研究[D].成都：电子科技大学，2007.

[4] 赵瑞丽.MIMO雷达发射波形优化设计[D].西安：西安电子科技大学，2009.

[5] 雷刚.脉冲综合与孔径雷达的脉冲综合处理及其实现[D].西安：西安电子科技大学，2009.

[6] 朱艳萍，宋耀良.MIMO雷达动目标检测的研究[J].现代电子技术，2010，33（19）：8?10.