MIMO雷达 word电子版 - 图文

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MIMO雷达概述

一、MIMO雷达的发展历史和现状

MIMO(Multiple-Input-Multiple-Output)最早是控制系统中的一个概念，上世纪90年代中期，由贝尔实验室的科学家G．J．Foschini首先提出，将MIMO概念用于无线移动通信系统。在本世纪初，人们开始将MIMO概念拓展到雷达探测技术领域，在2003～2004年的国际雷达会议上，如the 38th Asilomar Conference，以及2004 IEEE Radar Conference，学者们正式提出MIMO雷达的概念，并设立专题讨论相关的理论问题。

虽然此前也有一些雷达系统可以归纳到MIMO雷达的范畴里，比如相控阵雷达、综合脉冲与孔径雷达(SIAR)、多站雷达，但MIMO雷达概念的提出仍是划时代的，具有里程碑式的意义。它不仅包括了以前的一些不同类型的雷达系统，同时给出了统一的信号模型和体系结构，使人们的认识上升到一个新的高度。例如，在SIAR里就没有“虚阵元”的概念，只有在MIMO雷达概念提出以后才明确了“虚阵元”、扩展孔径的概念。目前国际上对MIMO雷达的研究主要分为两种体制，其中一种是发射天线阵单元空间分布很广，这样远场目标回波对每个天线来说接收信号就可以认为是多个独立散射体的回波，称为统计(或空间分集)MIMO雷达。其中，统计MIMO雷达最为代表性文章为2004年Eran Fishier等撰写的“MIMO Radar：An Idea?Whose Time Has Come”，该文发表后统计MIMO雷达受到人们越来越多的关注。另一种就是发射天线阵(接收阵)单元空间上分布紧凑，远场目标回波对于收发天线阵来说都是相关的，其布阵和信号处理以及性能与统计MIMO雷达有很大差别，这类称为相参MIMO雷达。相参MIMO雷达的提出源于稀布阵SIAR，作为一种特殊的MIMO雷达，SIAR的研究已经有若干年的历史。

二、MIMO雷达的分类、发展及典型系统

统计MIMO雷达的共同特点是同时发射可区分的多个信号，获得对“闪烁”目标的多个统计独立或具有统计独立成分的观测通道(或观测分量)，通过合并处理提高雷达的性能。统计MIMO雷达最早由Fishier和Blum在具有开创性的论文中提出的，其本意是将MIMO通信的窄间分集的观点引入到雷达中。与MIMO通信相

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似，统计MIMO雷达理论认为目标回波是由大量散射体的回波叠加而成，不同回波对应不同的独立衰减路径。在传统雷达系统中，不同的角度接收到目标RCS回波功率波动很大。统计MIMO雷达利用目标RCS波动的特性，对目标的信息进行融合并联合处理，有效克服由于目标闪烁导致雷达性能的下降的问题。统计MIMO系统不同发射阵元发射相互正交的信号，接收机利用正交性分离来自不同观测角度的回波，如果这些回波相互统计独立，那么它们同时出现衰落的概率很小，接收目标RCS回波功率近似为常数，因此目标反射信号功率近似稳定，可以得到所谓的分集增益，这对目标检测是大有益处的。另外，统计MIMO雷达接收阵列流型包含了目标多个散射点空间流型，对目标角度估计是有所改善的。

相参MIMO雷达是从稀布阵SIAR发展和演变而来。稀布阵SIAR的概念由法国国家宇航研究局(ONERA)与汤姆逊-CSF公司提出，他们研制的SIAR属于一种采用稀布阵数字合成脉冲孔径技术的四维新体制米波雷达，该雷达采用先进的综合脉冲与孔径技术，稀布圆阵天线，通过各个阵元全向发射正交编码频率信号以使得各向同性照射，在接收端通过DBF和发射脉冲与孔径综合以形成接收与发射波束。稀布阵SIAR国内外的发展趋势是最早从米波波段内外两层圆阵到HF波段收发分置综合脉冲与孔径体制，然后到微波波段收发分置综合脉冲与孔径体制，最后发展到近年来相参MIMO雷达体制。图1到图4说明了稀布阵SIAR到相参MIMO雷达发展过程。最初SIAR是单基的圆阵，虽然具备多输入一多输出、发射波形分集正交、接收综合发射脉冲和孔径等特征，但还不是真正意义上的相参MIMO雷达。实际上，这三个特征是SIAR雷达的特征，上述三个特征再加上收发分置的布阵形式，才是完整意义上的相参MIMO雷达。

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图1 米波波段大型稀布阵SIAR

图2 岸舰双基HF-SIAR

图3 双基S波段SIAR

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图4 林肯实验室MIMO雷达实验系统

三、MIMO雷达国内外应用及发展趋势

由于MIMO雷达代表了现代雷达发展的一个方向，各发达国家都投入大量经费进行研究。例如，MIMO雷达受到美国空军和澳大利亚国防部的经费支持。美国麻省理工学院林肯实验室、新泽西理工学院、佛罗里达大学等都开展了深入的研究工作。

林肯实验室主要进行相参MIMO雷达系统研究。D．W．Bliss等讨论了由于采用多输入多输出带来的自由度的增加，在接收端进行发射、接收同时波束形成的性能，他的论文描述了L波段和x波段分别构造相参MIMO雷达实验系统，并做了相关实验，验证了窄带MIMO雷达和宽带MIMO雷达性能，其中x波段采用两发四收实验阵，与一发四收普通的相控阵雷达比较，接收机灵敏度提高了9dB。

新泽西理工学院研究为代表的研究团队进行了统计MIMO雷达的研究。Fisher在他的文章中主要讨论了目标的空间分集如何增加雷达的检测能力，讨论了Neyman-Pearson意义下的最优检测器，其中包括对接收机输出信号的非相关处理算法，证明了其检测性能优于相参雷达。N.H.Leh．mann等人则讨论了多站MIMO雷达具有比发射信号带宽所决定的距离分辨率更高的分辨率。

佛罗里达大学的Jian Li教授等讨论了MIMO雷达的波束形成、信号的幅度相位估计算法，但没有利用发射信号的时域信息同时作发射、接收波束形成。I．Bekkerman等利用了时域信息，讨论了发射正交信号和任意相关信号时的目标检测和DOA估计问题，但DOA估计时只考虑了单目标。B．J．Donnet等就具体的步进频率信号详细讨论了信号处理问题，Fuhrmann等人讨论了MIMO雷达信号

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的设计问题。

国内对于MIMO的研究近一段时期开展的较为蓬勃。清华大学彭应宁教授等就MIMO雷达对弱目标的检测进行了研究，西安电子科技大学陈伯孝教授等讨论了MIMO雷达和稀布阵综合脉冲孔径雷达的关系。由于需考虑脉冲压缩和多普勒处理，MIMO雷达的信号需满足非常好的时域自相关性和互相关性，同时对多普勒效应不太敏感。

鉴于MIMO雷达的技术特色，国内相关部门也陆续开始资助对MIMO雷达的研究，例如西安电子科技大学廖桂生教授主持国家资助项目“多输入多输出(MIMO)雷达系统体制和机理研究”；2006年，清华大学汤俊的“运动平台MIMO雷达的若干理论问题研究”国家资助项目和电子科大何子述教授的“基于空间分集的多输人多输出(MIMO)雷达信号模型研究”等项目。

目前，国内微波MIMO雷达的研究还主要集中在信号设计、检测、参数估计、波束形成、DOA估计上等理论方面，实际的雷达系统目前国内还没有报道。中国兵器工业第206研究所，将SIAR技术用于微波波段，2006年，承担了“双基地微波综合脉冲与孔径雷达技术”国家资助项目，目前，四发一收的S波段MIMO雷达实验系统正在调试，加快了微波波段MIMO雷达工程化的进程。

开展新一代MIMO米波雷达研究

在隐身技术日益成熟，应用于飞行器、反辐射导弹对雷达的威胁越发紧迫，快速目标使常规旋转式雷达“捕捉”困难。微波波段如美军的X-GRB雷达，具有探测太空间和临近空间目标的能力，但是造价太高，而且对隐身目标探测性能大大降低。米波雷达也具有探测隐身目标的能力，但是早期的米波雷达受到天线尺寸的限制，存在抗干扰能力差、精度不高的缺点。目前使用的米波雷达频率仍然偏高，不利于隐身飞机目标的探测。新型MIMO米波雷达通过使用米波低端的宽频带天线，采用收发分置的雷达体制，结合现代雷达的各种技术，可以满足同时探测临近空间目标和高空隐身目标的要求。针对隐身飞机的隐身手段，MIMO米波雷达除了米波雷达反隐身的手段外，同时采取谐振效应和分集增益反隐身。

（1） 利用谐振现象反隐身

MIMO米波雷达使用的工作频率低，波长能和绝大多数飞行器形成谐振关

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系。一旦发生谐振，飞行器的RCS 就会大幅度增加。2002年国内的米波谐振实验证明，通过目标谐振，可将目标的RCS提高9~10倍。通过理论分析和实践可以看出，对飞机这样的不规则体，谐振点很多，可形成一个谐振区，在这个谐振区内，RCS会有一些起伏，但总体呈现上升趋势。

（2） 利用反射天线分集增益反隐身

普通单站雷达存在目标RCS闪烁现象，不同的观测角度RCS起伏在20dB以上， 对于隐身飞机也是如此，虽然通过谐振频率可以提高目标RCS，但是不同的照射方向目标RCS起伏很大，这样雷达目标探测性能下降。统计MIMO雷达存在分集增益，目标RCS可以看作一个平均值，这样在反隐身及探测弱小目标上具有优势。特别是统计MIMO雷达的接收系统使用同时多波束接收，不存在波束追赶的问题, 可以大幅度提高雷达的发现能力，既可以单发射站配多接收站也可以多发射站配单接收站。如果使用相同频段, 也可以配合现有装备组成MIMO雷达网。

发展与运动平台相结合的MIMO微波雷达

将MIMO雷达与运动平台相结合，是MIMO微波雷达的一个发展方向。双多基地雷达为了保证测角精度, 接收阵一般做的很大，无法放到防空武器战车上, 更不用说单兵携带了。在保证接收综合发射窄波束的前提下, 使接收阵小型化, 既是MIMO微波雷达创新的地方，也是它与常规双基地雷达相比突出的优势。这使构建MIMO舰船编队, MIMO飞机编队和空-地、空-海双基雷达系统成为可能。

多基地配置，在提高导弹自身的安全性的同时，还可显著提高制导抗干扰和抗隐身的能力。其次，因为在收发分置模式下，导弹的导引头仅由一个全向接收的天线构成，所以可以期待导引头的重量和成本都将大大降低。另外, 基于这种模式，同一个MIMO控制平台可以控制多个导弹。

地面防空系统将发射阵后置，这对于提高和改善防空火控雷达抗摧毁、抗干扰能力是有很大帮助和贡献的。

发射系统放在地面，将接收小阵安装到战斗机上，被动接收，成为空地双基雷达，可增强现有机载武器系统的低截获和抗打击能力。现在法国国家宇航研究局已经开始这方面的研究工作。

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发展统计MIMO雷达组网

利用统计MIMO雷达组网的技术，其效果比一般雷达组网要好，表现在除了可以实现一般雷达组网的功能外，还有一些其它优势。

（1）MIMO雷达网每一个接收站(单部雷达)都可以利用整个雷达网其它雷达的信息，因为MIMO雷达一个特征是对发射信号在接收端进行综合，提高了单部雷达的威力和对弱小目标的检测能力，综合发射信号的过程首先要将发射信号分离，这样也解决了多部雷达发射信号相互干扰的问题。

（2）MIMO雷达网的整体威力要大于普通雷达组网的威力。两种雷达组网形式都存在分集增益，所不同的是MIMO雷达可以将多部发射机能量的空间合成，威力要大于普通组网雷达。

（3）在发射与接收单元较少的前提下，MIMO雷达实现了信号通道的成倍增加， 这是普通组网雷达无法实现的。如发射通道M= 5，接收通道N = 5时，MIMO雷达网可以形成25个独立的信号通道，而普通雷达组网只是5部雷达信号的简单综合，即只有5个独立的信号通道。由于MIMO雷达组网信号通道的成倍增加，空间自由度增加，因此雷达抗干扰能力和目标检测性能大大提高。

四、结束语

从现有资料来看, MIMO雷达技术目前还处于实验室研究阶段。国外对MIMO雷达的研究比较积极，很多国家的大学（如美国、加拿大、英国、澳大利亚等）都在研究，也发表了不少这方面的文章，但大部分只停留在理论研究阶段，并无样机出现。国内电子科技大学、西安电子科技大学、北京理工大学及相关研究所也在开展研究工作。MIMO雷达的实际工程应用还有很多问题，如波形设计、MIMO处理算法优化、阵列校正和低截获概率等，需要进一步研究解决。但是对MIMO雷达理论认识的不断加深，以及大容量、高速信号处理器的不断发展，必将推动MIMO雷达工程实用化的进程。

MIMO雷达并不只是多输入多输出系统这么简单，对它进行深入研究才发现，其布阵形式、信号模型、信号处理方式都与传统数字相控阵雷达有很大差别，数字化程度更高，信号处理更为复杂，采用新的检测和测向方法，其性能随着接

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收、发射子阵的增多而提高。MIMO雷达具有波形的低截获和抗干扰能力，强杂波背景下小目标检测能力，利用分集增益，探测弱小目标和隐身目标以及增加作用距离的能力，利用较大的空间自由度，MIMO雷达还具有多目标探测和抗饱和攻击的能力。总之，MIMO雷达具有广阔的应用前景，正如Fishier在他代表性文章中所说的“MIMO雷达——呼唤一个时代的到来”。

参考文献

【1】 冯源，樊祥，张宁，吴少峰．MIMO 雷达发展现状与趋势[J]．航天电子

对抗，2011，27（2）：21-23，47．

【2】 何子述，韩春林，刘波．MIMO雷达概念及其技术特点分析[J]．电子学报，

2005，12A：2441-2445．

【3】 强勇，张冠杰，李斌．MIMO雷达进展及其应用研究[J]．火控雷达技术，

2010，151：2441-2445．

MIMO雷达发展趋势与展望

一、 引言

多输人多输出系统(MIMO，Multiple input multipleoutput)原本是控制系统中的一个概念，表示一个系统有多个输入和多个输出。如果将移动通信系统的传输信道看成一个系统，则发射信号可看成移动信道(系统)的输入信号，而接收信号可看成移动信道的输出信号。将此概念与目标RCS起伏相结合，建立MIMO模型，则得到一种全新的雷达体制。 二、

现状

MIMO技术能使雷达系统通过独特的时间--能量管理技术实现多个独立宽波束同时照射，是近年来雷达领域提出的一种全新的雷达体制, 并已引起学者们的广泛关注。在2003 到2004 年的一些雷达会议上, 如the 37th Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers, the 38th Asilomar Conference, 以及2004 IEEE Radar Confer ence, 学者们正式提出MIMO雷达的概念， 并设立专题讨论了相关的理论问题。

三、 关键技术与原理

雷达在不同的散射方向提供了丰富的散射信号，考虑地物等环境对目标不同部分散射信号的反射。雷达接收的信号应是各多径信号的叠加．具有与通信中角度扩展相似的特性，因此，相距一定间隔的两个接收天线接收的信号可以是相互独立的。另外，雷达目标具有明显的闪烁特性，理论和实验均表明，雷达目标在姿态和方向上的微小变化，都将导致雷达回波有类

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似于信道衰弱的起伏。

基于多阵元天线结构, M 发N 收的MIMO 雷达同时发射相互正交的信号, 这些多波形信号经由目标散射被N 个接收阵元接收。由于正交关系, 多个发射信号在空间中能够保持各自的独立性, 这样从发射阵到接收阵在空间中就能够同时存在MN 个通道, 每个通道对应一条特定的发射阵元到目标、目标到特定接收阵元的路径组合, 通道的时延与目标和收发阵元的位置有关。接收端的每个接收阵元都使用M 个匹配滤波器分别对M个发射波形进行匹配, 通过正交性分选可以得到MN个通道回波数据。图1 给出了上述工作原理的示意图。

图1中的每个发射阵元的发射信号都被所有的接收阵元接收, 反过来也就是说每个接收阵元都接收所有发射阵元的发射信号。这样通过发射阵元与接收阵元的一一配对能够产生出成倍于物理接收阵元数目或发射阵元数目的观测通道。

MIMO 雷达全向发射相互正交的信号, 使得多发射波形在空间无法进行波束形成, 这样发射波束主瓣增益将降低到原来的1/ M, 同时每个子阵发射功率变为原发射总功率的1/ M, 在距离R 处的功率密度仅为原来的1/ M, 考虑功率衰减与距离平方的反比关系, 雷达的抗信号截获性能明显提高。另外, 由图1 可以看出, MIMO 雷达实际上是一种多通道雷达系统,多通道数据进行联合处理有助于提高雷达的各项性能。

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MIMO 雷达使用多个正交的信号来探测目标, 接收端的每个阵元接收所有发射信号并通过匹配滤波组分选得到多路回波, 从而引入了远多于实际物理阵元数目的观测通道和自由度, 与传统的单/ 多基地或相控阵雷达相比极大地提高了雷达的总体性能。空间并存的多观测通道使得MIMO 雷达能够实时采集携带有目标不同幅度、时延或相位信息的回波数据。这种并行多通道获取信息的能力正是MIMO 雷达的根本优势所在。 虚拟阵元技术

M 发N 收的MIMO 雷达系统可以得到MN 个观测通道, 各观测通道的传输路径由某个发射阵元到目标和目标到某个接收阵元两部分构成, 通道的时间延迟可以表示为

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发阵元之间的时延。利用相应的发射?mn??tm??rn, 其中?tm和?rn分别为目标到相应的收、

波形对这MN 个观测通道进行匹配滤波, 输出一个相对时延矢量, 可以写为

d???t1??r1,?t1??r2,...,?t1??rN,...,?tM??rN?与式( 8) 中这些时延相对应的导向矢量为

（8）

?j?0(?t1??r1)?j?0(?tM??rN)?v??e,...,e?? (9)

式中矢量

?0表示载频。式( 9) 中每个元素都由两部分组成, 分别定义发射导向矢量

vt和接收导向

vr为

?j?0?t1vt??,...,e?j?0?tM??e? (10) ?j?0?r1?j?0?rM?vr??e,...,e?? (11)

则MIMO 阵列的导向矢量可以用式( 10) 和式( 11)来联合表示:

v?vt?vr (12)

式中,

表示Kronecker 积运算。在紧凑阵列条件下, 发射阵列的孔径长度远远小于发射阵

此时满足条件

其中

列到目标的距离, 这时图中的

。由此, 式( 10) 可以写为

(13)

用式( 13) 代替式( 12) 中的vt, 得:

?j?0???j?0(M?1)???v?e?j?0?t1?(?1,e,...,e???vr) (14)

因此, 式( 14) 可以看作是由发射阵元1 单独发射,MN 个等效接收阵元接收的阵列形式。其

中, 等效接收阵列的前N个阵元与MIMO 雷达中的物理接收阵元对应, 而后面的(M - 1)N 个阵元相对于发射阵元1 而言就是虚拟的接收阵元。

虚拟阵元技术给MIMO 雷达带来诸多优点:虚拟阵元可以扩展原有物理接收阵列的孔径长度, 从而产生更窄的波束方向图, 提高阵列的空间分辨率; 虚拟阵元还可以和物理阵元重叠, 以加权的形式产生更低的旁瓣; 对于物理阵元间隔大于半波长的阵列, 虚拟阵元对物理接收阵列内插,这时的角度测量仍可以无模糊地实现; 虚拟阵元还能够提高物理接收阵列的自由度, 增加目标的最大可辨识数目。由此, 应用虚拟阵元技术来改善现有雷达系统的性能将是一条行之有效的技术途径。

四、 发展前景

1. 新一代MIMO米波雷达

在隐身技术日益成熟, 应用于飞行器、反辐射导弹对雷达的威胁越发紧迫, 快速目标使

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常规旋转式雷达“捕捉”困难。微波波段如美军的X-GBR 雷达, 具有探测太空间和临近空间目标的能力, 但是, 造价太高,而且对隐身目标探测性能大大降低。

因此, 米波谐振雷达反隐身的关键在于寻找适当的频率段, 使其工作频率与目标谐振增大目标的RCS。由于不同的目标, 谐振频率不同, 而目标空中运动姿态的不同, 其谐振频率也是不同的, 这就需要根据不同目标的谐振频率范围, 利用目标识别技术,建立各种目标的谐振频率数据库, 在对目标进行探测时, 利用谐振数据库, 选择适当的频率, 与目标产生谐振, 发挥谐振雷达反隐身能力。

2. 与运动平台相结合的MIMO微波雷达 MIMO微波雷达既能保证天线的窄波束，也能使天线小型化，可以与运动平台相结合使用，能发展成如MIMO雷达舰船编队，MIMO雷达飞机编队，空地、空海双基地雷达。这使得MIMO微波雷达使用更加多元性和可变性。

五、 个人总结

MIMO雷达实际上就是多个发射机和多个接收机共同工作，同时完成对目标的收索与检测。其根本的出发点是实际过程中将雷达的RCS看作是个起伏的随机量，通过将其类比于MIMO系统中的衰弱，用其相关的检测理论就能达到雷达的要求。

相比之下MIMO雷达有着自身的独特优点，不仅能小型化，还能实现低概率检测，这一特性能很好的适应复杂电磁环境的未来战场。低概率检测有利于目标的反隐形，通过建立谐振频率数据库，再与目标识别技术，能使MIMO雷达自适应地使目标RCS最大。在电子对抗中，利用MIMO雷达小型化的有点，可以将其运用在空地、空海双基地雷达上，这样的双基地雷达在未来信息战场上有更强的生存能力。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5cv8.html