MIMO雷达动目标检测的研究

摘 要:多输入多输出(MIMO)雷达是一种新体制的雷达,与双基地雷达相比,能够较好地对切向飞行目标进行检测。针对MIMO雷达的动目标显示(MTI)特性,给出了MTI滤波器的三种设计及其结构,并导出了其相应的改善因子表达式。最后给出了仿真结果,即递归滤波器具有较好的灵活性和改善因子,同时合理进行收阵,能够提高改善因子,这对MIMO雷达的布阵具有一定指导意义。关键词:MIMO雷达; MTI; 递归滤波器; 改善因子

中图分类号:TN955-34文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)19-0008-03

Study of MIMO Radar for MTI

ZHU Yan-ping1,2, SONG Yao-liang1

(1.School of Electronic and Optical Engineering, Nanjing University of Science &Technology, Nanjing 210094, China;

2.School of Electronic and Information Engineering, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China)

Abstract: As the new radar system, MIMO (multiple input multiple output) radar can detect vertical flight targets much better thanbistatic radars, contraposing the characteristic of MTI (moving target indication) processing of MIMO radar, three kinds of designs structures of MTI filter are given, and three expressions of improvement factor are deduced. The simulation results show that the recursive filter has best flexibility and best improvement factor, and reasonable arrangement and receive array can meliorate the improvement factor. It has a certain significance to the distribution of MIMO radar.Keywords: MIMO radar; MTI; recursive filter; improvement factor

0 引 言

随着电子器件性能的提高和数字信号处理技术的进步,动目标处理技术获得了长足的发展。动目标显示技术发展的主要目的是为了增强雷达的目标检测能力并显示出运动目标,它能够检测到那些存在于各种杂波中具有不同径向运动速度的目标反射信号。其中,雷达的杂波是指从地面、海面、空中云雨、箔条、鸟类、昆虫及极光等物体反射得到的回波,表述为地杂波、海杂波、气象杂波等。雷达杂波信号与雷达接收机的噪声信号有本质上的区别,在连续的两个发射脉冲之间杂波信号是相关的,而噪声是不相关的。动目标显示技术就是利用了杂波的特性滤除雷达回波中的杂波信号,从而显示出雷达作用范围内的运动目标。传统双基地雷达的改善因子对目标的飞行方向是比较敏感的,切向方向其MTI处理失效,径向速度为零,目标的多普勒频率也为零,目标与固定地物的频率特性相同,无法从频域把目标提取出来[1]。

MIMO雷达是美国学者Fishler等于2004年首次提出的新型体制雷达,它基于通信系统中MIMO技术,采用空间分集和信号分集技术,相对于传统雷达在对抗目标RCS闪烁、目标检测及参数估计性能等方面都有很大的提高,近年受到了广泛的研究和关注[2-3]。

基于目前的研究,MIMO划分为两种类型,一种是紧密的天线分布方式,类似于传统的阵列,可以实现相干发射和相干接收,采用特殊的传送波形,例如正交波形,性能较相控阵雷达有很大提高。另外┮恢知类型就是发射都是稀疏分布的天线,利用多个不同方位的雷达发射信号(信号可以是相关或者不相关的),较好地克服了目标RCS的角闪烁所带来的性能损失,获得较大的空间分集增益,能够根据多普勒频移解决慢目标的检测问题,而且能够克服带宽的限制,实现更高精度的目标定位[4]。本文讨论后一种类型的MIMO雷达中MTI问题。

1 动目标处理

采用收发相距较远的MIMO雷达,发射正交波形,因此MIMO雷达有MN相对独立的通道,在接收时使用匹配滤波器就能够进行很好的分离,MTI滤波器可以用延时对消器来实现,文献[5]给出了单延时对消时双基地雷达和MIMO雷达的动目标检测性能比较。相对于双基地雷达对切向目标检测失效的缺点,MIMO雷达可以看作是MN对双基地雷达的等效,这样观测目标的视角就更为广阔,因而MIMO 雷达对以任意角度飞行的目标都能够检测到。

1.1 几种处理方案

下面将几种不同的MIMO雷达动目标处理方案进行比较。

1.1.1 单延时对消

单延时对消的功率增益为:

H(ω)2=4sin2(ωT/2)(1)

式中:Е=2πf;T为延迟时间。

在MTI性能分析中较为重要的指标是改善因子I及输出信杂比(SCR) 和输入信杂比的比值。其中,

I=H(f)2CA=4sin2(πf/fr)*(fr/2πδt)2(2)

式中:fr,δt为雷达的脉冲重复频率和杂波频率的均方根。

由于杂波内部的无规则运动,各反射单元所反射的回波具有不同的多谱勒频率,这导致了杂波频谱的展宽。杂波的频谱一般集中在零频附近和雷达的PRF整数倍周围,使用MTI滤波器能够抑制杂波而让目标回波顺利通过。杂波谱通常具有高斯特性,其功率谱一般近似为:

W(f)=Pc2πδtexp(-f2/2δ2t)(3)

对于MIMO雷达而言,假设发射为M,接收为N,目标回波的多普勒频移关系较为复杂,它是收发机和目标位置及速度的复杂函数,其中一路的多普勒频移为:

fdk=2vcos(θk/2)cos(φk+β)/λ(4)

式中:Еk为收发基地的夹角;φk为基地角平分线与X轴的夹角;β为目标飞行方向与X轴的夹角;φk+β即为速度矢量和基地角等分线的夹角;λ为雷达发射信号的波长,Т入式(2)中,则得到改善因子为:

I(β)=H(f)2CA=1MN∑MNi=14sin2[2πvcos(θk/2)cos(φk+β)/λfr]*(fr/2πδt)2(5)

在接收端MTI的处理流程为:先经过某一单路通道的延时对消滤除杂波,保留目标回波,然后再进行综合各个通道的处理也就是式(5)中对各通道的平均求和处理,MIMO雷达通过改善因子的平均,就能够实现其MTI处理对任意角度飞行的目标都不会失效的功能,提高雷达的检测性能。

1.1.2 双延时对消

双延时对消相对于单延时对消在通带和阻带上都有较好的响应,其功率增益为:

H(ω)2=16sin4(ωT/2)(6)

相应的MIMO雷达改善因子为:

I(β)=H(f)2CA=1MN∑MNi=116sin4[2πvcos(θk/2)cos(φk+β)/λfr]*(fr/2πδt)2(7)

1.1.3 递归滤波器

下面再讨论带有延时反馈线的对消器[6],第i路的结构如图1所示。

图1 MTI递归滤波器的结构

相应的频率响应为:

H(ω)2=2[1-cos(ωT)](1+K2)-2Kcos(ωT)(8)

K=0时,即为单延迟对消器,通过改变K可改变滤波器的响应。为避免正反馈引起的振荡,K值应小于1。(1-K)-1的值一般等于从目标所接收到的脉冲数。

MIMO雷达对应的改善因子为:

I(β)=H(f)2CA=1MN∑MNi=12{1-cos[4πvcos(θk/2)]cos(φk+β)/λfr}(1+K2)-2Kcos[4πvcos(θk/2)cos(φk+β)]/λfk*(fr/2πδt)2(9)

动目标系统的改善因子与雷达重复频率有关,雷达重复频率越高,改善因子越好,对消效果越好;对地物杂波来说,风速越低,改善因子越好;对海浪回波来说,风速越低,改善因子越好。实际应用中应该在不同的情况下选择不同的对消方式,一般来说固定对消器不能对海杂波及云雨杂波进行很好的抑制,而采用自适应对消器对海杂波及云雨杂波进行抑制。

1.2 仿真性能分析

以上按照文献[5]所给参数,采用均匀布阵,对三种不同的MTI处理方案通过仿真进行比较,图2~图4分别是MIMO雷达的三种MTI处理方式。比较可以发现,它们都是能够克服双基地雷达对切向目标检测失效的缺陷,随着收发基地的增多而使改善因子随目标角度的起伏变小,但在相同的收发基地时,带有延时反馈线处理方法的起伏特性更趋于平坦,且它的突出优点是灵活性较大,可以通过改变增益因子K对滤波器的响应进行改变,而双延时对消的频率响应虽然比单延时要好,但是用于MIMO雷达的MTI处理时,它的改善因子随目标起伏反而较单延时要大,1发2收甚至能够达到15 dB,2发2收达到10 dB,因此是三种方案中较不可取的。

图2 MIMO雷达单延时对消的改善因子仿真

图3 MIMO雷达双延时对消的改善因子仿真

图4 递归滤波器的改善因子仿真

MIMO雷达收阵也会对动目标的检测产生很大的影响,由于非均匀线阵可以产生更多的有效虚拟阵元,与ULA 布阵MIMO 雷达相比,具有更多的空间自由度、更好的克拉美•罗界和更好的DOA 性能[7]。在此,采用非均匀布阵,并以2发2收的布阵为例。ULA角度分布如表1所示。

表1 ULA角度分布表

收发基地θk /(°)φk /(°)

双基地30150

1X2150105

2X160105

2X26045

对于非均匀布阵, 以双延时对消为例,它的改善因子随着M,N的增大而变得更加平坦,因而比均匀布阵具有更好的MTI检测性能,如图5所示。

图5 改变布阵之后的双延时改善因子仿真

2 结 语

本文给出了三种MIMO雷达动目标处理的方法,并对其进行了比较。递归滤波器的起伏特性最为平坦,而且较为灵活,这几种方法随着布阵的不同,起伏也有所变化。非均匀布阵的改善因子要好些,这对MIMO雷达的布阵也具有一定的指导意义,当然也可以将自适应滤波及其改进算法应用于MIMO雷达中[8]。然而对于MIMO雷达的MTI处理的硬件实现则可以借助现有的数字信号处理器进行设计,实现对地杂波、海杂波、气象杂波等不同方法的滤波,完成多方式的动目标处理。

MIMO雷达作为目前较有发展潜力的雷达,近年来也是雷达界的一个研究热点,在理论方面还有很多问题亟待解决,例如MIMO雷达信号波形设计、自适应跟踪处理、收发同步处理和雷达成像等,相信随着理论研究的不断深入和日趋成熟,会对实践应用产生一定的指导意义[9-10]。

参考文献

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[4]FISHLER E, HAIMOVICH A, BLUM R, et al. Perfor-mance of MIMO radar systems: advantages of angular diversity[C]//Conference Record of the Thirty-Eighth Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers. [S.l.]: ACSSC, 2004(1):305-309.

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[10]BLISS D W, FORSYTHE K W. Multiple input multiple output(MIMO) radar and imaging: degrees of freedom and resolution[C]//Conference Record of theThirty-Seventh Asilomar Conference on.Signals, Systems and Computers.[S.l.]:ACSSC, 2003: 54-59.