相控阵雷达系统的设计与分析1

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1、基于MIMO雷达的高速运动目标探测方法传统体制雷达一般通过长时间的多脉冲相参积累检测(如脉冲压缩和多普勒处理等)来提高雷达对弱小目标的检测性能。现代国防越来越多地受到高速武器的威胁，例如高速飞行的导弹和无人侦察机等；在航天领域，随着人类太空活动日益频繁，高速飞行的空间碎片也越来越多，这对卫星和飞船等也构成了不小的威胁。目标的超高速运动会使目标的径向距离变化率(径向速度)呈现出较高次幂的变化，同时使目标在回波积累时间内跨多个距离单元运动。因此，目标的高机动性会导致传统脉冲压缩和多普勒处理无法聚焦信号能量，从而无法实现有效的谱峰检测和参数估

2、计。为了使高速运动目标的回波信号能够长时间有效相参积累，人们提出的方法有检测前跟踪技术，基于时频分析的积累检测方法以及基于包络插值移位补偿算法等。但是，这些算法的计算量太大，不利于工程应用，而且在低信噪比情况下它们的相参积累实现困难，导致其积累效率比较低，此外这些算法需要保证目标的反射截面积(RCS)在较长时间内保持恒定，但是高速运动目标由于其位置和姿态角变化迅速，导致其RCS快起伏，因此在长时间内认为高速运动目标的RCS恒定是不切实际的。分布式雷达多通道成像技术，通过单次快拍空间并行采样取代逆合成孔径雷达(ISAR)中长时间多脉冲采样

3、，从而避免了时间上的多脉冲采样对不同时刻观测回波的运动补偿问题。由于目标在很短的时间内距离走动不会超过半个距离单元，径向速度变化和RCS波动也是很微小的，即可以认为在短时间内目标的回波信号在相同的距离单元上是相参的，可以有效地进行相参积累。因此，除了对回波信号进行长时间多脉冲相参积累检测外，在短时间内对雷达输出的多路回波数据进行相参并行处理也是一条可行的途径。基于此想法，结合最近发展起来的MIMO(Multiple-InputMultiple-Output)雷达技术，研究了基于MIMO噪声雷达的高速运动目标检测方法。MIMO雷达的结构与

4、传统阵列雷达类似，都是采用多个发射和接收天线。MIMO雷达由于其发射阵列的发射信号相互正交，因此在空间不形成高增益的窄波束；而在接收端可以形成大的虚拟阵列孔径，能提高雷达的角度分辨力以及最大可检测的目标数量。MIMO噪声雷达由于其发射信号的无周期性、随机性以及发射波束的全向性，因此不会产生周期性的距离模糊并具有良好的低截获性能。1.收发全分集MIMO雷达原理收发全分集MIMO雷达原理下图所示，设目标距离为R，发射天线共有M个阵元，阵元间距为dt;接收天线共有N个阵元，接收天线阵元间距为dr;目标切向尺寸为D。发射天线各阵元发射信号分别为

5、s1(t),s2(t)，⋯,sM(t)，构成发射信号向量为s(t)=[s1(t),s2(t)，⋯,sM(t)]T(1)接收信号向量为y(t)=[y1(t),y2(t)，⋯,yN(t)]T(2)为使整个雷达系统能工作在MIMO状态，即各阵元信号独立，或信号具有大的角度扩展，阵元间距dt或dr(统一用d表示)应满足如下约束条件d≥λr/D(3)图1收发分集的MIMO雷达原理式中，λ是雷达载波波长，R是目标距离，D是目标切向尺寸。设空间共有Q个目标(或散射单元)，第q个目标相对第m个天线的方向角为Qmq,第q个目标相对于第一个目标的间距为△q

6、，第q个目标的散射系数为aq，则发射矩阵A可表示为A=[a1，a2，⋯,aM]∈CM×Q(4)其中，向量am可表示为am=[e-j2π∆qλsin⁡(Qmq),…,e-j2π∆qλsin⁡(Qmq)]T(5)同理，接收矩阵B∈CN×Q可表示为与式(4)类似的形式。则接收信号可表示为y(t)=HTs(t)+v(t)(6)其中，v(t)是N维接收噪声向量，H是信道向量矩阵，为H=AΣB∈CM×N(7)式中，Σ为目标散射对角阵，为Σ=diag[a1,a2,⋯aQ]。根据式(6)接收的信号进行匹配滤波和处理，实现对目标的检测和参数估计，其中对信

7、道向量矩阵H的估计犹为重要，采用正交发射信号是一种有效的估计方法。2.高速目标的MIMO噪声雷达回波信号模型如图2所示，单基地MIMO雷达的发射和接收阵列为均匀线阵，由M个发射阵元和N个接收阵元组成，其中发射阵元间距和接收阵元间距分别记为dt和dr。在下图中，以雷达中心为坐标原点建立2维直角坐标系，假设高速运动目标作匀速直线飞行，它的起始位置坐标为(x0,y0)，速度矢量为V=(vx,vy)，其中vx,vy分别为目标速度V在x轴和y轴上的投影，vx和vy取和分别指向x轴和y轴正向时为正，反之取负。则目标相对于雷达的瞬时距离可近似表示为图

8、2单基地MIMO雷达结构图(1)对式(1)求导，可得目标的瞬时径向距离变化率(径向速度)为Dr(t)dt=(2)因此高速运动目标的瞬时多普勒频率为(3)其中λ为载波波长。MIMO噪声雷达的各发射阵元同时发射