mimo雷达研究报告综述

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.雷达新技术研究报告班级：学号：姓名：-. .目录MIMO雷达研究背景2MIMO原理及分类3MIMO阵列对空成像雷达4虚拟阵元技术4MIMO-SAR雷达6发展趋势7新一代MIMO米波雷达研究7发展与运动平台相结合的MIMO微波雷达8发展MIMO宽带成像雷达9发展统计MIMO雷达组网10参考文献12-. .MIMO雷达研究背景多输人多输出系统(MIMO，Multipleinputmultipleoutput)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．从上个世纪90年代中期以来，贝尔实验室等先后提出在无线通信系统中的基站和移动端均用多天线的方案，即对移动信道这样一个系统而言，有多个信号输入和多个信号输出(MIMO系统)．由于MIMO通信系统可获得空间分集增益，能显著地提高移动通信系统在衰落信道条件下的信道容量，特别对大的角度扩展信道(极端情况是2π)，其性能改善犹为明显，理论分析表明，信道容量与收发两端天线阵元数有直接关系。雷达目标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(即RCS，雷达截面积)的严重起伏，可达10—25dB．这种回波信号的起伏十分类似于移动信道的信号衰落，将严重影响常规雷达的探测性能．可见，雷达回波信号具有某些与移动通信信道相似的特性，将已在移动通信中得到深入研究的MIMO概念，引伸应用于解决雷达信号接收和目标探测问题．应是一种可行的尝试。MIMO(Multiple-Input-Multiple-Out-put)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the37thAsilomarConferenceonSignals,SystemsandComputers,the38thAsilomarConference,以及2004IEEERadarConference,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。由此展开了国内外对MIMO技术在雷达中的应用研究。MIMO雷达同时采用多信号发射、多信号接收,多信号之间可以是时域、空域或极化域分离的,具有处理维数更高、收发孔径利用更充分、角分辨率更高的优点。MIMO雷达利用目标散射的空间分集引起的回波信号去相关特性,使回波平均接收能量近似于恒定(对空中目标的RCS进行平滑),改善目标RCS起伏、提高检测性能和目标的空间分辨力。将MIMO理论应用于雷达领域，根据经典的雷达探测理论。可从下面四个方面进行性能方面的评判：其一是雷达检测目标的能力和可靠性；其二是对目标参数估计的精度；其三是对多目标的分辨能力；其四是目标参数估计的模糊性。MIMO原理及分类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。下面按其典型的应用,将MIMO雷达分为两类。MIMO阵列对空成像雷达目前的对空成像技术主要有逆合成孔径雷达(ISAR)和实孔径雷达。ISAR成像需要一定的时间积累,实时性很差;还要解决目标的运动补偿,由于非合作高速机动目标运动状态具有不确定性,运动补偿较难实现。实孔径技术利用单发多收的大规模真实阵列成像,该技术具有实时成像、不需要对目标进行运动补偿的优点,但却存在阵列规模过大、造价昂贵的缺点。MIMO阵列则是解决上述问题的可行方法。MIMO雷达的虚拟阵元技术具有扩展实际物理接收阵列孔径长度的优点,因此,可以通过合理的天线布阵形成大孔径的等效接收阵列来实现高分辨对空成像。由于MIMO雷达的并行多通道空间采样能力,MIMO阵列对空成像将具有实时性的优势。由虚拟阵元技术计算式（下面推到式（14）式观察可得）进一步可得到（15）那么,式(14)所对应的MN元等效接收阵列将是无重叠等间距的,阵元间距d=。当收发阵列相距较近,在远场情况下可以近似=,此时式(15)的条件将变为。这时收发阵元间距相对关系固定,更利于实际实现。上述条件下的等效接收阵列示意如图所示。图为3发4收MIMO雷达的等效接收阵列产生示意图。由图3可得,等效接收阵列的孔径长度与实际物理接收阵列的比值R=。由此可见,-. .在满足条件式(15)时,等效接收阵列的孔径长度将近扩大为原接收阵列的M倍。由上面分析可知,MIMO雷达技术是一种有效的实时阵列合成技术。因此,将MIMO雷达技术与实孔径雷达相结合来构建MIMO阵列成像雷达将是一种可行的对空成像技术。这种新体制成像技术能够避免传统ISAR中存在的运动补偿难题,又有实孔径成像难以相比的高方位分辨能力,具有重要的学术和应用价值。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,其中和分别为目标到相应的收、发阵元之间的时延。利用相应的发射波形对这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（8）与式(8)中这些时延相对应的导向矢量为(9)式中表示载频。式(9)中每个元素都由两部分组成,分别定义发射导向矢量和接收导向矢量为(10)(11)则MIMO阵列的导向矢量可以用式(10)和式(11)来联合表示:(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列到目标的距离,这时图中的此时满足条件其中。由此,式(10)可以写为(13)用式(13)代替式(12)中的,得:(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。MIMO-SAR雷达MIMO雷达技术与合成孔径雷达(SAR)系统结合的MIMO-SAR雷达是解决传统SAR中脉冲重复频率(PRF)在满足方位向高分辨与大测绘带之间矛盾的有效方法。一般SAR系统对地观测时要求观测带的宽度要大,同时方位高分辨也必须得到保证,但两者往往不可兼得。大测绘带宽要求低的PRF来防止距离向的模糊出现,而方位向高分辨要求高的PRF以避免多普勒模糊出现。而MIMO技术应用于SAR,能够实现以低的PRF同时满足大测绘带和方位向无多普勒模糊出现。由于MIMO雷达具有并行多通道空间采样能力,MIMO-SAR雷达一次脉冲发射就能够得到MN路方位向空间采样数据。如果这MN个通道数据在方位向是均匀不重叠分布的,那么MIMO-SAR雷达的脉冲重复频率就可以降低为原有SAR系统的1/(MN)，如图所示MIMO-SAR方位采样示意图图给出了一个2发3收的MIMO-SAR系统,图中的PRF0表示原有SAR系统的脉冲重复频率,PRF1则表示MIMO-SAR的脉冲重复频率。-. .由图计算得:由上式可得：因此,将MIMO阵列与SAR相结合就可以通过增加少量收发阵元来有效解决传统SAR的方位高分辨与大测绘带之间的相互制约问题。此外,目前三维SAR可以通过二维SAR加上干涉法测高来完成,而利用较少天线数目的MIMO面阵加上SAR来进行三维成像也将是一个非常有吸引力的研究。MIMO雷达技术可以利用虚拟阵元技术来增加系统的方位向采样速率或采样密度,这对于同样依赖合成孔径技术的探地雷达(GPR)和穿墙雷达(TWR)系统而言同样具有借鉴意义。发展趋势新一代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-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。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)利用发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,如图2所示,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。图2F117在35MHz(a)和75MHz(b)的RCS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。-. .基于预警机/星载平台的收发分置的MIMO雷达模式如图所示,在将远程预警机或卫星作为MIMO雷达的发射系统,通过在飞机、地面舰船、导弹或战车平台上布置一部MIMO雷达小型化接收系统。该雷达本身就是一部完整的收发分置MIMO雷达,可以分别对目标和干扰完成自适应以及/自学习0的观测和抑制。MIMO控制平台可以通过自身收发闭环的/自学习0模式,使得发射波形在目标位置形成强增益,在干扰方向形成零点。而飞机、地面舰船、导弹或战车平台只配制一个具有MIMO雷达特性的小型化接收天线,该天线全向或定向接收多发射信号。通过对已发射多信号的接收和分离,该阵元可以综合出发射波束,从而对目标完成测距以及方位向和俯仰向的定位。作为MIMO发射平台的预警机和卫星运动平台,由于远离战区,免受打击,而装载接收平台的武器系统,被动接收,也具有低截获抗打击的能力,提高了雷达及载体平台的战场生存能力。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。发展MIMO宽带成像雷达一直以来,采用宽带、超宽带雷达对被探测目标及感兴趣的区域进行高分辨雷达成像,是雷达系统发展的一个重要方向,例如高分辨的ISAR/SAR-. .系统。但随着雷达系统的分辨率的提高,一般目标(飞机、战车及防空单元等)的雷达回波已不再是/点0回波,而是沿距离分布开的一维距离像。另外,再结合目标姿态的变化(或雷达载体平台的位置变化)会引起散射点回波相对相位的变化,从而实现目标高分辨ISAR/SAR成像。通过对目标的高分辨图像的识别,实现目标的分类和识别。但是传统的单站雷达系统,由于大多目标以考虑采用隐身设计及目标各部分的对电磁波的遮挡,雷达回波信号较弱,成像效果不佳,严重影响了对目标的探测与识别。通过发展统计MIMO宽带成像雷达系统,可以有效的解决上述问题。统计MIMO雷达系统组成的多发多收系统,较普通单站雷达系统克服在目标RCS闪烁现象,根据某型飞机模型在微波波段RCS相关仿真数据,非发射方向观测角度多的目标RCS有2~20dB的增加,从而增加雷达回波信号的信杂比,提高成像的效果。通过多角度高分辨图像的融合,可以有效提高目标的分辨率和被探测目标的特征信息。下面我们通过仿真实例说明采用MIMO技术后,结合数据融合的处理效果。下图给出了仿真模型及仿真结果,从仿真结果可以看出对被探测目标高分辨成像的分辨率提高,特征信息增加。如何实现宽带信号的收发是宽成像雷达,如ISAR/SAR系统设计的难点。以ISAR为例,目前,接收机对瞬时带宽达到几百兆的模拟信号很难在很大动态范围内进行数字化处理。同时大吞吐量的数据处理对处理器处理速度提出了更高的要求。为降低成本和对器件性能的需求,学者们提出了两种较为实用的ISAR体制:时频变换体制和步进跳频体制。但这两种体制存在固有的缺点。时频变换体制的成像距离受到很大限制,同时必须由另外一部窄带雷达完成搜索与跟踪功能,整个雷达工作于窄/宽带相互切换的模式,以致雷达每次只能对一定方位和距离上的目标成像。步进跳频体制的主要问题在于重频低,对付大机动的目标成像有一定困难,另外子带波形合成时需要补偿目标运动带来的相位偏移。为了使雷达能够同时对多目标成像,克服对机动目标成像质量差的缺陷,同时又保证不增加对器件性能的要求,本项目将相参MIMO雷达的思想与ISAR相结合,研究一种新体制的成像系统)))宽带MIMO成像雷达。宽带MIMO雷达具有两个突出的特点:具有全向发射特性和宽带波形的合成能力。宽带合成使得宽带MIMO雷达能够形成一维高分辨距离像,在此基础上经过运动补偿和频率分析可以形成二维像。而全向发射特性使雷达同时进行对多个目标的检测和成像成为可能。该雷达同时发射多个频段信号,多个频段子带信号采用灵活的信号处理算法,既可以合成成像用的宽带信号,也可以完成对多目标的检测和跟踪。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。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。MIMO网络雷达和普通组网雷达比较如图所示,其中图(b)中的单部(接收/发射)雷达MIMO处理后,威力增加的部分用第二个圆环表示(包括多部发射功率空间合成,-. .多个发射分站增益)。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。4）MIMO技术组网尤其适合于相同的多部雷达组网,MIMO雷达组网核心是接收端MIMO处理技术,这样支持矩阵式组网理论,在搞MIMO组网方面,掌握MIMO组网的核心技术,普通组网的技术可以外协,这样可以始终在区域防空大系统设计上处于主动。第二种分类法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。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MIMO雷达。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0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Fishler和Blum在具有开创性的论文[3]中提出的,其本意是将MIMO通信的空间分集的观点引入到雷达中。与MIMO通信相似,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2CSF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-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。图1米波波段大型稀布阵SIAR参考文献【1】百度百科MIMO(多入出技术)http://baike.baidu.com/link?url=Ra_50d52LF8fS1Pv【2】[美]斯托伊卡,MIMO雷达信号处理[M].第一版.北京：国防工业出版社2013-.