mimo雷達的原理及應用

1mimo雷達的概念在現代通信中，mimo（mutipleinple）天線技術不是一個新概念。現在，mimo技術在通信中得到了廣泛的應用，以克服多徑效應的影響，提高了傳輸效率。受SIAR的啟發(fā)和利用了通信界成熟的MIMO技術,EranFishler在2004年提出了MIMOradar的概念。在常規(guī)雷達中,目標的起伏會使回波的幅度閃爍,引起雷達性能的下降,因而是被視為有害的。MIMO雷達卻相反,它正是利用了目標的起伏來改善雷達的性能。MIMO雷達的優(yōu)勢包括硬件簡單、有效口徑大、通過空間分集能對抗目標衰落等。其中空間分集技術最為突出,如果回波能夠被描述為隨機過程,不同視角上的目標回波可認為是統(tǒng)計上獨立的,空間分集利用這一點來提高雷達的發(fā)現概率。如果不同視角的空間采樣積累足夠,MIMO雷達就可發(fā)現常規(guī)雷達不能檢測到的弱小目標。所以,MIMO雷達主要利用了空間分集技術,用以克服目標起伏和多徑影響,提高檢測能力。2接收天線的波束形成和分集增益廣義上來說,只要使用了多個發(fā)射天線和接收天線的雷達都可稱為MIMO雷達。按照發(fā)射天線和接收天線通道是否相關可劃分為四大類:SISO(SingleInputSingleOutput)系統(tǒng),或常規(guī)相控陣系統(tǒng)。SIMO(SingleInputMultipleOutput)系統(tǒng),發(fā)射通道相關,接收通道不相關。MISO(MultipleInputSingleOutput)系統(tǒng),發(fā)射通道不相關,接收通道相關。MIMO(MultipleInputMultipleOutput)系統(tǒng),發(fā)射和接收通道均不相關。所謂發(fā)射和接收通道將在稍后詳述。如果要兩個天線通道不相關,必須滿足不相關準則:d>λR/D其中d是天線間距,λ為載波波長,R為天線與目標的距離,D是目標的長度。從目前研究情況來看,大多假設MIMO雷達發(fā)射天線稀疏布陣,間距要滿足不相關準則,發(fā)射天線同時發(fā)射的是相互正交的信號。為了實現正確波束形成,避免柵瓣出現和算法的易實現,通常將接收天線密集等間距排列,其間距一般假定為半個波長,如圖1所示。接收天線間距比較小,此時的MIMO實際上已經演變?yōu)镸ISO。每個接收天線(接收機)收到的不同波束信號送到中心處理單元進行處理。在處理中心各分辨單元的接收信號(脈沖串)通過合適的檢測算法被聯合處理。測角可以使用DBF,或空域濾波器算法如MUSIC等高分辨算法。發(fā)射天線和接收天線一般使用全向或準全向天線。當使用全向天線時,因為大的分辨單元尺寸目標定位會有模糊,但可以在接收端使用DBF或MUSIC進行波束掃描從而實現測角。如圖1所示,假設全向發(fā)射天線共有M個,接收天線是N個。從M個天線同時發(fā)射出M組不同的正交編碼信號,以保證M個信號在空間不相干疊加,這樣可以在接收端通過逆編碼恢復出各自的信號分量。從圖1可以看出,每組發(fā)射信號在接收端能得到N個樣本,而且每個樣本信號經歷的是不同的傳播路徑,如第一個發(fā)射天線到第一個接收天線的傳播路徑記為R1,1,第一個發(fā)射天線到第二個接收天線的傳播路徑記為R1,2,…,第M個發(fā)射天線到第N個接收天線的傳播路徑記為RM,N,總共有M×N個不同的傳播路徑,接收端可接收到M×N個信號。由于MIMO采取了發(fā)射分集,發(fā)射天線間的距離比較大,各個路徑滿足不相關性。這樣目標的RCS幾乎不可能同時對所有的發(fā)射信號表現為最小和最大,其和基本保持恒定。也就是說,這些不同的信號為雷達形成了多個不相關的通道,目標回波通過這些通道經歷獨立的衰落。所以通過將這些不相干通道的反射信號進行平均就能使目標的衰落大大減輕。結果帶來了雷達的檢測能力顯著提高,EranFishler等人稱這個得益為分集增益。分集增益由接收端信號的獨立程度決定,反過來又由非相干通道數來決定。這些通道可由通道矩陣H來表示,這在MIMO通信理論中是常用的。H的秩越大,相干增益越大,所以可用H的秩來評價MIMO雷達的性能。總之,MIMO雷達的多天線配置能夠有效地克服目標RCS起伏的影響,其接收信號的總和基本保持穩(wěn)定,因而提高了雷達的性能。3mimo雷達信號編碼MIMO利用了發(fā)射分集技術,是與空時編碼技術分不開的,MIMO系統(tǒng)也只有應用了空時編碼技術才能發(fā)揮自己的優(yōu)勢。目前通信領域研究較多的是空時格碼和空時組碼,其基本原理是將要發(fā)射的信號通過空時編碼,連續(xù)不斷地分解為M個數據流,通過M個天線同時發(fā)送出去,在接收端采用最大似然檢測的方法進行譯碼,以正確地識別出發(fā)送信號。MIMO雷達用的空時碼要相對簡單些,因為雷達發(fā)射的脈沖信號都是重復的,其中最簡單的就是傅里葉變換矩陣(純相位編碼)的方法。下面就以相位編碼為例說明MIMO雷達對空時編碼要求。假設M個發(fā)射天線中每個天線發(fā)射的脈沖長度均為τ,由L個子脈沖(或稱子碼)組成。第一個發(fā)射天線所發(fā)射的脈沖信號記為S1(t),其子脈沖記為S1111,…SL11L。第M個發(fā)射天線發(fā)射的脈沖信號記為SM(t),其子脈沖記為S1MΜ1,…,SLMΜL發(fā)射信號的波形見圖2。信號的表達式如下所示:S1(t)={S1111,…,SL11L}={ej?1(1),…,ej?1(L)}SM(t)={S1MΜ1,…,SLMΜL}={ej?M(1),…,ej?M(L)}編碼規(guī)則為:a.每個脈沖信號的自相關函數要滿足:∫τ/2?τ/2Sm(t)S?m(t)dt={l0t=0t≠0∫-τ/2τ/2Sm(t)Sm*(t)dt={lt=00t≠0b.不同脈沖信號的互相關函數要滿足:∫τ/2?τ/2-τ/2τ/2Sm(t)S*n(t)dt=0m≠n其編碼規(guī)則實質上就是要找到這樣的M組編碼:各組脈沖信號的自相關函數近似為沖激函數,且旁瓣為零(現實中要盡量低);不同組信號互相關函數為零,即不同組信號是不相關或者說是正交的。要找到這樣一組理想的正交編碼集并不太容易,但已經有人開始利用遺傳算法進行了嘗試。4mimo雷達信號轉換的自相關函數t的特征在接收端,每個接收天線所接收到的信號通過一組M個數字匹配濾波器進行處理,如圖3所示。每個濾波器與一種發(fā)射波形相匹配,如濾波器1與S1(t)匹配,…,濾波器M與SM(t)匹配。假設各發(fā)射天線發(fā)射的基帶信號為Si(t),對頻率為fc的載波進行調制,得到的發(fā)射信號可記為:Pi(t)=Si(t)e-j2πfct各發(fā)射信號在空中與目標遭遇,其信號和為: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為信號P1(t)從第一個發(fā)射天線到目標的時間,c1為信號P1(t)從第一個發(fā)射天線到目標的衰減。τtmmt是第m個發(fā)射信號由第m個發(fā)射天線到目標的時間,c為各信號總的衰減系數。信號Q(t)碰到目標后會產生散射,到達接收天線。各接收天線所接收到的信號記為: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為信號Q(t)從目標到第i個接收天線的時間。Xi(t)同時與M個匹配濾波器進行濾波處理(或下變頻后再處理,但不影響結果)。如與第j個匹配濾波器濾波的結果為: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)是信號Sj(t)的自相關函數,rmj(t)是信號Sm(t)與信號Sj(t)的互相關函數。在上節(jié)我們已經說過,MIMO雷達使用的正交編碼信號其自相關函數是沖激函數,互相關函數為零。所以第j個匹配濾波器濾波的輸出為:Rij=k{rjj(-τtjjt-τriir)e-j2πfc(τtj+τri)}輸出的是信號的自相關函數,或者說恢復出單獨的發(fā)射信號。對于相位編碼信號來說,匹配濾波又相當于脈壓處理,所以從匹配濾波器出來的就是脈壓后的窄脈沖。MIMO雷達的接收機總共有M×N個匹配濾波器,所以也同時產生M×N個濾波器輸出,每個發(fā)射信號的接收樣本為N個。經過接收機處理后得到M×N個信號,可以進行DBF處理,以充分發(fā)揮DBF優(yōu)勢。5mimo雷達的性能特性及優(yōu)點a.RCS平均近似恒定。由于目標是由許多小的散射體組成,所以目標到雷達的距離、方位輕微變動都會引起目標的散射截面(RCS)變化,即引起反射波的能量的變化。MIMO雷達利用了目標RCS的統(tǒng)計特性,可使目標對MIMO雷達的散射截面近似恒定,提高了雷達的檢測性能。b.MIMO雷達測角精度高。根據文獻,MIMO雷達的角度估計誤差比常規(guī)雷達小2√2倍。c.MIMO雷達的多個發(fā)射天線照射到目標的不同側面,檢測到了更多的目標特征信息,提高了目標識別能力。d.理論上來說,MIMO雷達無需掃描,可進行長時間的相干積累,提高信噪比。e.反隱身效果好。MIMO雷達利用了不同角度的散射特性,而隱身飛行器不可能做到任何角度都具有隱身效果,所以總有大的RCS被偵測到。f.抗摧毀能力強。MIMO雷達發(fā)射天線間距很大,不容易同時被摧毀,即使失去若干個發(fā)射天線對系統(tǒng)的性能影響也不大。6mimo雷達的展望從上面對MIMO雷達的分析可以看出,確實有其獨特的優(yōu)勢。MIMO雷達是一種稀布陣雷達,它與另外一種稀布陣雷達-SIAR有很多相似之處,但也有很多不同。如SIAR采用的是頻率步進分集來實現正交信號,窄脈沖的形成要對回波進行延時再相加綜合,布陣的形式是單基地內外兩個圓陣。但本文介紹的MIMO雷達采用的是正交相位編碼,只需要匹配濾波就可完成脈壓功能,收發(fā)天線距離多基地分置。但實際上,MIMO雷達也可以采取SIAR那樣的配置。也可以說,SIAR其實是MIMO雷達的一種特例,而MIMO是SIAR的一種擴充。MIMO雷達作為一種新的雷達體制,一經提出,便受到了國內外的廣泛關注。但目前