MIMO雷达技术及其应用研究

摘要：随着科学技术的迅速发展，雷达技术水平的不断提高。MIMO雷达作为一种新体制雷达，在遥感、导航、资源探索、气象预报、天体研究等民用领域和国防等领域被广泛应用，并且充分发挥了其积极的作用。文章从MIMO雷达概述入手，就其技术和应用进行了详细的探究。

关键词：MIMO；雷达；空间分集；成像

MIMO作为一种新兴体制的雷达，在跟踪、目标定位、参数估计和目标检测等方面具有比传统雷达更高的优势，所以其已经逐渐成为雷达技术领域的研究热点。下面就MIMO雷达技术及其应用方面的内容进行了探究，以期更好地指导后续相关方面的研究和应用的开展。

1 MIMO雷达概述

1.1 MIMO雷达的含义

MIMO雷达又被称为多输入多输出系统，其最初主要只是作为控制系统中的一个概念被提出，而在雷达领域中则指代相应的雷达系统具有多个输出和输入。如果将相应的通信传输通道比作一个完整的系统，则相应的系统通信信道的输入信号和输出信号则就相应的指射信号和接收信号。另外，MIMO雷达在探测目标的时候可以借助多个正交信号，并且所有的发射信号均可以由接收端的各个阵元来进行接收，同时也可以需要采取滤波组来尽量获得更可能多的多路回波从而额可以大大提高观测通道的数目和雷达的整体性能。

1.2 MIMO雷达的工作原理

MIMO雷达可以在多阵元天线结构的基础上实现正交信号的同时发射，并且可以做到M发N收，即MIMO雷达可以借助N个接收阵元来接收相应的多个波形信号。鉴于不同信号之间的正交特性，所以即便是多个发射信号也不会出现相互干扰的问题，可以始终保持独立性，同时这样也可以使相应的发射和接收物理空间保持MN个通道，且每个特定的通道均与一个发射阵元及其对应的接收路径和收发阵元的位置和所接受。另外，接收端的各个接收阵元会配有M个发射波形来匹配对应的M个滤波器，接着通过分选正交性就可以获得相应的MN通道回波数据。

另外，每个发射阵元的发射信号均会被相应的接收阵元所接受，而每个接收阵元又会接收相应发射阵元所发出的各种信号。从而可以实现接发信号的目的。MIMO雷达所发射相应的正交信号无法在空间中形成特定的波束，从而导致发射波束主瓣的增益变为原来的M倍，而每个子阵发射功率则会变为原来的1/M，进而会大大提高雷达抗信号截获性能。

2 MIMO雷达技术分析

2.1 空间分集技术

实践研究表明，在MIMO雷达技术中引入空间分集技术可以借助目标闪烁来提高雷达的整体性能，并且该种形式的雷达可以划分到分布式MIMO雷达范畴。而就空间分集技术的必要条件而言，其主要包括以下几个方面。图1为雷达双基地工作场景，其借助散射中心模型来作为其目标，且包含Q个散射中心。与传统雷达技术相比，MIMO雷达技术可以引入大量的物理阵元数目的处理自由度和观测通道，从而可以大大改善和提高雷达系统的整体性能，这是当前雷达系统性能改善中值得深入研究的一种技术途径。图1中假设目标散射的中心线主要呈现均匀性，且该目标中心与雷达发射和接收阵之间的间隔距离分别为Rt和ARr，且发射阵列和接收阵列分别为均匀线阵，而其间隔分别为d1和d2，然后根据相应的阵元目标线阵即可确定相应的空间接收分集需要满足的条件为：dr≥λRr/D。

实践研究表明，在MIMO雷达中应用空间分集技术可以相互统计多个独立的通道，这样也可以降低雷达信号衰落的概率，进而还可以借助平均处理方式来抑制目标的角闪烁，进而达到提高雷达侦测目标的检测性能。另外，在MIMO雷达中应用空间分集技术有利于提高MIMO雷达的抗摧毁、抗反辐射导弹以及反隐身等能力。

2.2 虚拟阵元技术

在MIMO雷达技术中引入紧凑阵列的密集式技术，是雷达技术的一个重要发展方向。密集式MIMO雷达技术没有充分利用空间分集，但是在虚拟阵元技术的应用中有许多潜在的应用特点。由于MIMO雷达系统的M发N收方式主要包括MN个观测通道，且相应的观测通道中的传输路径主要由发射阵元和接收阵元所组成，而各个通道的延迟时间以及发射波形的MN个观测通道匹配滤波时间的延矢量也可以也可以通过相应的公式来进行计算。

另外，虚拟阵元技术在MIMO雷达中的应用也大大提高了雷达的整体性能，具体主要表现在以下几个方面：虚拟阵元有利于拓展原物理接收阵列的孔径长度，可以获得更窄的波束方向图，进而达到提高阵列的空间分辨率的目的；为了产生更低的旁瓣，虚拟阵元还可以重叠相应的物力阵元，并以加权的形式来加以实现；如果物力阵元阵列的间隔大于半波长度，则需要内插到相应的物理接收阵列中，从而可以无模糊地来进行角度测量；可以增加目标的最大可辨识数目和物理接收阵列的自由度。由此可见，在MIMO雷达系统中应用虚拟阵元技术有利于改善和提高雷达的性能。

3 MIMO雷达的具体应用

3.1 MIMO阵列对空成像雷达

实孔径雷达和逆合成孔径雷达（ISAR）是当前应用对空成像技术的两种雷达类型。其中实孔经技术则是借助单发多收的方式来实现阵列成像，该技术不需要对目标进行运动补偿，且具有实时成像的优点，但是同时也有实际的阵列规模比较大，且造价比较高等缺点；而逆合成孔径雷达（ISAR）成像过程需要一定的时间来积累，且实时性比较差，所以为了弥补目标的运动缺失，需要确定非合作高速机动目标的运动性状态。而MIMO阵列在上述两种雷达重点额应用则可以有效地解决上述的问题，提高教学的质量。虚拟阵元技术在MIMO雷达中的应用，有利于扩展实际物理接收阵列孔径的长度，所以必须要采用合理的天线布阵来扩大阵列孔径等特点，以提高分辨对空成像的特点。鉴于MIMO雷达的并行多通道空间采样能力，有利于充分发挥对空成像在MIMO阵列中的实时性优势。

另外，MIMO雷达技术本身是一种实时阵列有效性很强的合成技术，所以为了更好地运用对空成像技术，可以将实孔经雷达与MIMO雷达技术进行有效地结合以形成MIMO阵列成像雷达，并且这种新形式的成像技术有利于避免传统逆合成孔径雷达中所存在的运动补偿困难等问题，并且也可以有效地解决实孔经雷达成像中存在的分辨能力低的问题，所以具有较高的学术价值。

3.2 MIMO-SAR

MIMO-SAR实际上就是将MIMO雷达技术和SAR系统进行结合的一种复合雷达形式，其可以有效地解决传统SAR中脉冲重复频率在满足大测绘和方位向高分辨率之间的矛盾。在对地观测中，为了确保方位观测的高分辨性，需要尽量扩大SAR系统观测带的宽度，但是实际上这两个方面是对立的，不可兼得，即大测绘观测带如果比较低，则可以避免距离向的模糊问题，而如果方位向高分辨的要求比较高，则可以避免多普勒模糊问题的出现。而MIMO技术在SAR系统中的应用也可以以比较低的PRF来达到避免方位向多普勒模糊问题的出现。由于MIMO雷达具有并行多通道空间采样能力，而MIMOSAR的一次脉冲就能够得到MN路方位向空间采样数据，而如果这些数据通道的方位向存在不重叠分布问题，则可以使脉冲重复频率降低到原有SAR系统的1/MN，进而达到提高MIMOSAR整体性能的目的。

为了有效地解决传统SAR的大测绘带与方位高分辨之间的相互制约问题，可以借助MIMO阵列和SAR之间的相互结合来增加少量收发阵元，进而达到解决问题的目的。另外，当前的三维SAR主要是借助二维SAR加上干涉法测高来加以实现，而如果可以借助SAR再加上那些天线数比较少的MIMO面阵来进行三维成像，这也是一种有效的技术。MIMO雷达技术可以借助虚拟阵元技术来增加系统的方位向采样密度和速率，并且该技术也可以合理运用于那些依赖于合成孔径技术的穿墙雷达（TWR）或探底雷达（GPR）系统中，从而为这些技术水平的提高奠定良好的条件。

总之，MIMO雷达作为雷达领域中一种新体制雷达，在社会应用中具有广阔的发展潜力和应用前景。本文以MIMO雷达技术为研究对象，就空间分集技术和虚拟阵元技术在MIMO雷达应用中的应用及其优势等内容进行了详细地分析和研究，以不断提高MIMO雷达应用系统的科学性和合理性，同时也可以有效地解决当前雷达系统中存在的各种难题，从而不断提高雷达技术的整体质量。