mimo雷达的原理及应用

mimo雷达的原理及应用

1mimo雷达的概念在现代通信中，mimo（mutipleinple）天线技术不是一个新概念。现在，mimo技术在通信中得到了广泛的应用，以克服多径效应的影响，提高了传输效率。受SIAR的启发和利用了通信界成熟的MIMO技术,EranFishler在2004年提出了MIMOradar的概念。在常规雷达中,目标的起伏会使回波的幅度闪烁,引起雷达性能的下降,因而是被视为有害的。MIMO雷达却相反,它正是利用了目标的起伏来改善雷达的性能。MIMO雷达的优势包括硬件简单、有效口径大、通过空间分集能对抗目标衰落等。其中空间分集技术最为突出,如果回波能够被描述为随机过程,不同视角上的目标回波可认为是统计上独立的,空间分集利用这一点来提高雷达的发现概率。如果不同视角的空间采样积累足够,MIMO雷达就可发现常规雷达不能检测到的弱小目标。所以,MIMO雷达主要利用了空间分集技术,用以克服目标起伏和多径影响,提高检测能力。2接收天线的波束形成和分集增益广义上来说,只要使用了多个发射天线和接收天线的雷达都可称为MIMO雷达。按照发射天线和接收天线通道是否相关可划分为四大类:SISO(SingleInputSingleOutput)系统,或常规相控阵系统。SIMO(SingleInputMultipleOutput)系统,发射通道相关,接收通道不相关。MISO(MultipleInputSingleOutput)系统,发射通道不相关,接收通道相关。MIMO(MultipleInputMultipleOutput)系统,发射和接收通道均不相关。所谓发射和接收通道将在稍后详述。如果要两个天线通道不相关,必须满足不相关准则:d>λR/D其中d是天线间距,λ为载波波长,R为天线与目标的距离,D是目标的长度。从目前研究情况来看,大多假设MIMO雷达发射天线稀疏布阵,间距要满足不相关准则,发射天线同时发射的是相互正交的信号。为了实现正确波束形成,避免栅瓣出现和算法的易实现,通常将接收天线密集等间距排列,其间距一般假定为半个波长,如图1所示。接收天线间距比较小,此时的MIMO实际上已经演变为MISO。每个接收天线(接收机)收到的不同波束信号送到中心处理单元进行处理。在处理中心各分辨单元的接收信号(脉冲串)通过合适的检测算法被联合处理。测角可以使用DBF,或空域滤波器算法如MUSIC等高分辨算法。发射天线和接收天线一般使用全向或准全向天线。当使用全向天线时,因为大的分辨单元尺寸目标定位会有模糊,但可以在接收端使用DBF或MUSIC进行波束扫描从而实现测角。如图1所示,假设全向发射天线共有M个,接收天线是N个。从M个天线同时发射出M组不同的正交编码信号,以保证M个信号在空间不相干叠加,这样可以在接收端通过逆编码恢复出各自的信号分量。从图1可以看出,每组发射信号在接收端能得到N个样本,而且每个样本信号经历的是不同的传播路径,如第一个发射天线到第一个接收天线的传播路径记为R1,1,第一个发射天线到第二个接收天线的传播路径记为R1,2,…,第M个发射天线到第N个接收天线的传播路径记为RM,N,总共有M×N个不同的传播路径,接收端可接收到M×N个信号。由于MIMO采取了发射分集,发射天线间的距离比较大,各个路径满足不相关性。这样目标的RCS几乎不可能同时对所有的发射信号表现为最小和最大,其和基本保持恒定。也就是说,这些不同的信号为雷达形成了多个不相关的通道,目标回波通过这些通道经历独立的衰落。所以通过将这些不相干通道的反射信号进行平均就能使目标的衰落大大减轻。结果带来了雷达的检测能力显著提高,EranFishler等人称这个得益为分集增益。分集增益由接收端信号的独立程度决定,反过来又由非相干通道数来决定。这些通道可由通道矩阵H来表示,这在MIMO通信理论中是常用的。H的秩越大,相干增益越大,所以可用H的秩来评价MIMO雷达的性能。总之,MIMO雷达的多天线配置能够有效地克服目标RCS起伏的影响,其接收信号的总和基本保持稳定,因而提高了雷达的性能。3mimo雷达信号编码MIMO利用了发射分集技术,是与空时编码技术分不开的,MIMO系统也只有应用了空时编码技术才能发挥自己的优势。目前通信领域研究较多的是空时格码和空时组码,其基本原理是将要发射的信号通过空时编码,连续不断地分解为M个数据流,通过M个天线同时发送出去,在接收端采用最大似然检测的方法进行译码,以正确地识别出发送信号。MIMO雷达用的空时码要相对简单些,因为雷达发射的脉冲信号都是重复的,其中最简单的就是傅里叶变换矩阵(纯相位编码)的方法。下面就以相位编码为例说明MIMO雷达对空时编码要求。假设M个发射天线中每个天线发射的脉冲长度均为τ,由L个子脉冲(或称子码)组成。第一个发射天线所发射的脉冲信号记为S1(t),其子脉冲记为S1111,…SL11L。第M个发射天线发射的脉冲信号记为SM(t),其子脉冲记为S1MΜ1,…,SLMΜL发射信号的波形见图2。信号的表达式如下所示:S1(t)={S1111,…,SL11L}={ejϕ1(1),…,ejϕ1(L)}SM(t)={S1MΜ1,…,SLMΜL}={ejϕM(1),…,ejϕM(L)}编码规则为:a.每个脉冲信号的自相关函数要满足:∫τ/2−τ/2Sm(t)S∗m(t)dt={l0t=0t≠0∫-τ/2τ/2Sm(t)Sm*(t)dt={lt=00t≠0b.不同脉冲信号的互相关函数要满足:∫τ/2−τ/2-τ/2τ/2Sm(t)S*n(t)dt=0m≠n其编码规则实质上就是要找到这样的M组编码:各组脉冲信号的自相关函数近似为冲激函数,且旁瓣为零(现实中要尽量低);不同组信号互相关函数为零,即不同组信号是不相关或者说是正交的。要找到这样一组理想的正交编码集并不太容易,但已经有人开始利用遗传算法进行了尝试。4mimo雷达信号转换的自相关函数t的特征在接收端,每个接收天线所接收到的信号通过一组M个数字匹配滤波器进行处理,如图3所示。每个滤波器与一种发射波形相匹配,如滤波器1与S1(t)匹配,…,滤波器M与SM(t)匹配。假设各发射天线发射的基带信号为Si(t),对频率为fc的载波进行调制,得到的发射信号可记为:Pi(t)=Si(t)e-j2πfct各发射信号在空中与目标遭遇,其信号和为:Q(t)=c1P1(t−τt1)+⋯+cMPM(t−τtM)=c∑m=1MPm(t−τtm)Q(t)=c1Ρ1(t-τ1t)+⋯+cΜΡΜ(t-τΜt)=c∑m=1ΜΡm(t-τmt)其中τt11t为信号P1(t)从第一个发射天线到目标的时间,c1为信号P1(t)从第一个发射天线到目标的衰减。τtmmt是第m个发射信号由第m个发射天线到目标的时间,c为各信号总的衰减系数。信号Q(t)碰到目标后会产生散射,到达接收天线。各接收天线所接收到的信号记为:Xi(t)=kiQ(t−τri)=kic∑m=1MPm(t−τtm−τri)=kic∑m=1MSm(t−τtm−τri)e−j2πfc(t−τtm−τri)Xi(t)=kiQ(t-τir)=kic∑m=1ΜΡm(t-τmt-τir)=kic∑m=1ΜSm(t-τmt-τir)e-j2πfc(t-τmt-τir)其中τriir为信号Q(t)从目标到第i个接收天线的时间。Xi(t)同时与M个匹配滤波器进行滤波处理(或下变频后再处理,但不影响结果)。如与第j个匹配滤波器滤波的结果为:Rij=∫Xi(t)S∗j(t)dt=k{rjj(−τtj−τri)e−j2πfc(τtj+τri)+∑m=1j−1rmj(−τtm−τri)e−j2πfc(τrm+τri)+∑m=j+1Mrmj(−τtm−τri)e−j2πfc(τrm+τri)}Rij=∫Xi(t)Sj*(t)dt=k{rjj(-τjt-τir)e-j2πfc(τjt+τir)+∑m=1j-1rmj(-τmt-τir)e-j2πfc(τmr+τir)+∑m=j+1Μrmj(-τmt-τir)e-j2πfc(τmr+τir)}其中rjj(t)是信号Sj(t)的自相关函数,rmj(t)是信号Sm(t)与信号Sj(t)的互相关函数。在上节我们已经说过,MIMO雷达使用的正交编码信号其自相关函数是冲激函数,互相关函数为零。所以第j个匹配滤波器滤波的输出为:Rij=k{rjj(-τtjjt-τriir)e-j2πfc(τtj+τri)}输出的是信号的自相关函数,或者说恢复出单独的发射信号。对于相位编码信号来说,匹配滤波又相当于脉压处理,所以从匹配滤波器出来的就是脉压后的窄脉冲。MIMO雷达的接收机总共有M×N个匹配滤波器,所以也同时产生M×N个滤波器输出,每个发射信号的接收样本为N个。经过接收机处理后得到M×N个信号,可以进行DBF处理,以充分发挥DBF优势。5mimo雷达的性能特性及优点a.RCS平均近似恒定。由于目标是由许多小的散射体组成,所以目标到雷达的距离、方位轻微变动都会引起目标的散射截面(RCS)变化,即引起反射波的能量的变化。MIMO雷达利用了目标RCS的统计特性,可使目标对MIMO雷达的散射截面近似恒定,提高了雷达的检测性能。b.MIMO雷达测角精度高。根据文献,MIMO雷达的角度估计误差比常规雷达小2√2倍。c.MIMO雷达的多个发射天线照射到目标的不同侧面,检测到了更多的目标特征信息,提高了目标识别能力。d.理论上来说,MIMO雷达无需扫描,可进行长时间的相干积累,提高信噪比。e.反隐身效果好。MIMO雷达利用了不同角度的散射特性,而隐身飞行器不可能做到任何角度都具有隐身效果,所以总有大的RCS被侦测到。f.抗摧毁能力强。MIMO雷达发射天线间距很大,不容易同时被摧毁,即使失去若干个发射天线对系统的性能影响也不大。6mimo雷达的展望从上面对MIMO雷达的分析可以看出,确实有其独特的优势。MIMO雷达是一种稀布阵雷达,它与另外一种稀布阵雷达-SIAR有很多相似之处,但也有很多不同。如SIAR采用的是频率步进分集来实现正交信号,窄脉冲的形成要对回波进行延时再相加综合,布阵的形式是单基地内外两个圆阵。但本文介绍的MIMO雷达采用的是正交相位编码,只需要匹配滤波就可完成脉压功能,收发天线距离多基地分置。但实际上,MIMO雷达也可以采取SIAR那样的配置。也可以说,SIAR其实是MIMO雷达的一种特例,而MIMO是SIAR的一种扩充。MIMO雷达作为一种新的雷达体制,一经提出,便受到了国内外的广泛关注。但目前