MIMO雷达简介.pdf-资料库

&& +" ##+( +" 0 !"#$%#&#' &"#"!(" *$+ + ,# ./ +/1 #$ " ##+( +" + ++./++ ($ 2#3 4/.5//.. ) - 00 - ) ./ !"#$%#&#' &"#"!(" 雷达技术综述赵永波刘宏伟西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室西安摘要多输入多输出雷达是把无线通信系统中的多个输入和 0 0 0 0 , $& $(" & $& $( & & ,, 多个输出技术引入到雷达领域并和数字阵列技术相结合而产生的一种新体制雷达由于采用了波形分集技术雷达拥有许多传统相控阵雷达所无法比拟的优越性本文对雷达进行了评 ,, ,, 述首先对雷达的概念和原理进行了说明并指出其同相控阵雷达的关系然后对雷达 ,, ,, 的特点进行了分析并据此给出雷达相对传统相控阵雷达存在的优势和缺点最后结合 ,, ,, 雷达的特点和优势给出雷达的几种潜在应用 ,, 关键词雷达波形分集发射波形形成接收波束形成 ,, 中图分类号文献标志码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引言雷达作为一种重要的电磁传感器在国防和民用领域发挥着越来越重要的作用在应用需求的牵引和技术发展的推动下当前雷达技术的发展日新月异一些新体制新系统和新方法不断涌现多输基金项目中央高校基本科研业务费收稿日期修订日期 55.. 资助项目 ./. ./.

! *$+ + ./ 数据采集与处理入多输出雷达就是把无线通信系统中的多个输入和多个输出技 , $& $(" & $& $("& & ,, 0 0 0 0 术引入到雷达领域并和数字阵列技术相结合而产生的一种新体制雷达 . 雷达的概念在年由美国林肯实验室的和 ,, . $ 2! &( - 首次提出目前已成为国内外雷达界的一个研究热点在雷达定义中多输入是指同时发射多种雷达信号波形一般是多 ,, 个天线同时发射不同的波形多输出是指多个天线同时接收并通过多路接收机输出以获得多通道空间采样信号在这一概念框架下传统的机械扫描雷达由于只发射一种信号波形也只有一路接收机输出其属于单输入单输出雷达单脉冲雷达只发射一种信号波形一般有两路和波束与差波束或者左波束和右波束接收机输出其属于单输入双输出雷达相控阵数字波束形成 &#$(#%!" 2 ) ) 体制雷达多个发射天线同时发射相同波形的信号多个接收天线也同时接收信号并经多路接收机输出它可以看作单输入多输出雷达根据发射和接收天线中各单元的间距大小可以将雷达分为分布式雷达又称统计雷达或非相干雷达和集中式 . ,, 雷达又称相干 ,, ,, ,, ,, , 雷达两类分布式雷达中收发天线各单元相距很远使得各阵元可以分别从不同的视 , ,, 角观察目标从而获得空间分集得益克服目标雷达截面积的闪烁效应提高 :##!!(&" : 雷达对目标的探测性能而集中式雷达的收发天线各单元相距较近各个天线单元对目标的视 ,, 角近似相同且每个阵元可以发射不同的信号波形从而获得波形分集使得集中式雷达具有虚 ,, 拟孔径扩展能力及更灵活的功率分配能力改善系统的能量利用率测角精度杂波抑制及低截获能力等性能需要说明的是虽然分布式雷达强调的是空间分集得益但是其各发射单元的波形也 ,, 是不同的通常是相互正交的即也是波形分集的自从雷达的概念提出后迅速成为雷达领 ,, 域关注的热点每年的国际会议和期刊都有不少关于雷达的研究成果发表目前行业内对 ,, 雷达的认识褒贬不一迫切需要对雷达有一个全面正确的认识和评价基于该目的本 ,, ,, 文作者在对雷达多年研究的基础上从理论研究和工程应用相结合的角度出发对雷达 ,, ,, 的基本原理特点研究现状及应用等方面进行综述 # 雷达原理 #$# 雷达基本组成 ,, 雷达通常包含多个发射天线和多个接收天线天线也可以收发共用各发射天线发射不同的信号波形各发射信号经过目标反射后被多个接收天线接收并经过多路接收机后送给信号处理进行后续处理雷达的组成框图如图所示在雷达系统中各阵元各发射信号不再是一组相 ,, ,, 干信号而是一组相互正交或部分相关信号此时各信号在空间叠加后不会形成高增益的窄波束而是会形成低增益的宽波束对较大的空域范围同时实现能量覆盖从而实现对大空域范围内的目标同时进行跟踪和搜索如图所示当雷达各发射信号相互正交时则其发射能量覆盖没有方向性假 . ,, 设单个天线单元没有方向性在所有方向增益相同当各发射信号部分相关时则其发射能量覆盖为低增益的宽波束波束指向和波束宽度由发射信号波形及其相位决定当各发射信号完全相关即相干时则其发射能量覆盖为高增益的窄波束波束指向由发射信号相位决定此时等效于各发射信号完全相同只是相位不同这时就变成了常规的相控阵雷达更准确地说是数字阵列雷达 #$% 雷达信号处理流程众所周知信号处理是雷达系统的核心部分雷达的最大特点是其采用了波形分集技术在 ,, 接收端首先对目标反射的各发射信号进行分离再经过相位补偿后合成完成发射波束形成接收天线之间再进行接收数字波束形成从而同时获得了发射和接收天线增益可以看出雷达的发射 ,, 波束形成和接收波束形成都是在接收端的信号处理中实现所以雷达的基本原理主要体现在信 ,,

赵永波等雷达技术综述 ,, 号处理中下面给出雷达的信号处理流程 ,, 假设共有个发射天线和个接收天线为 " # 第个发射天线发射信号包络脉冲的离散时间采样设发射信号包络共有个离散时间采样则 $ % $ 其他令 . % % " 为了方便起见假设发射信号相互正交则 $ 8 " % % $ % 其中为的单位阵设和分别为 " " " ! & & 对应于方向的接收阵列导向矢量和发射阵列导向矢图雷达基本组成 ,, 量整个接收天线阵列接收到的信号表示为 2 + "% !#&"%,,!##! ) ) ' ' ' % . . # 其中为第个接收天线接收到的信号设在方向处有一 ' 个目标则有 % ! & 其中为目标回波幅度为噪声式中忽略了由目标距离引起的信号延迟在雷达信号处理中可以根据发射波束形成放置的 ,, 不同位置采用不同的处理流程目前主要有两种处理流程处理流程是把发射波束形成与接收波束形成联合实现处理 . 流程是把发射波束形成与脉冲压缩联合实现 +.+ 第种处理流程该处理流程主要包括时域一维匹配滤波和综合波束形成如图所示其中时域一维匹配滤波实现脉冲压缩和各发射信号分离作用综合波束形成是指对所有路接收信号的全部时域一维匹配滤波器的输出进行调相求和处理使其能进行有效合成等效于同时实现接收波束形成和发射波束形成功能波束形成的输图雷达不同发射信号时的 . ,, 发射能量覆盖图 ) )- 2 +. !#"&("(! &! &" % ,,!##!%!%%(!("& &!#"&9#(%! 出再进行和常规雷达相同的脉冲积累检测等处理所有路接收信号的全部时域一维匹配滤波器的输出排列成一个向量时就等效于发射和接收阵列联合形成的一个虚拟天线阵列综合波束形成即是对虚拟天线阵列信号进行的波束形成操作个时域滤波器分别与个发射信号相匹配所以第个时域 " " 滤波器的权系数为 " " % % 式中上划线表示复数共轭该滤波器只和时间有关而与方向无关由于个发射信号相互正交上 " 述滤波器在实现匹配滤波的同时也起到了对目标反射的各发射信号进行分离的作用例如第个时域滤波器在正好和第个发射信号匹配的时刻对其他发射信号的滤波输出等于这很容易根据式得到 +.+. . 第种处理流程该处理流程主要包括接收波束形成和脉冲综合如图所示其中脉冲综合同时实现脉冲压缩和发射波束形成功能为了对方向的目标进行脉冲综合则脉冲综合要方向的目标回波匹配其权系数为对方向的目标回波进行倒序并取共轭有

. ! *$+ + ./ 数据采集与处理图雷达第种信号处理流程 ,, 2 + (%!& "#$ !(" %$9%,,!##! ) ) 0 ) 图雷达第种信号处理流程 ,, . 2 + ((" "#$ !(" %$9%,,!##! ) ) 0 ) " 5 % 8 可以看出脉冲综合不仅和时间有关还和方向有关所以其匹配滤波又称为时空两维匹配滤波其中时间一维方向一维脉冲综合等效于实现了对某方向目标反射的发射信号的匹配滤波而和接收阵列没有关系如果对不同方向的目标进行匹配滤波则其脉冲综合权系数不同而常规相控阵雷达中的脉冲压缩也是匹配滤波但是其权系数和目标方向无关这是雷达与常规相控阵雷达的不同 ,, 之处 +.+ 两种处理流程的关系虽然上述两种处理流程看似有所不同其实质主要是各部分的先后次序不同可以证明两者是完全等价的且在通常情况下第种流程的运算量要远小于第种的运算量但是第种流程中脉冲综合的权系数与方向有关当同时形成多个方向的波束时权系数较多需要的存贮量大需要说明的是第 . . 种处理流程是雷达默认的处理流程通过该流程也很容易对雷达形成的虚拟天线孔径 ,, ,, 和孔径扩展进行解释但是图中的处理流程只适用于正交波形的情况当发射波形非完全正交而是部分相关时该处理流程需要对时域滤波器的个数和其权系数进行相应的修改 5 第种处理流程则对 . 正交和部分相关波形都适用 #$& 雷达与相控阵雷达的关系雷达的最大特点是采用了波形分集技术表示波形分集的一个重要参数就是波形的相关系 ,, 数当波形相关系数是时代表波形相互正交这就是正交波形雷达当波形相关系数是时代 ,,

赵永波等雷达技术综述 ,, 表波形相干即波形完全相同这就是相控阵雷达当波形相关系数是介于和之间时代表波形部分相关这就是部分相关波形雷达不同波形相关系数时的雷达类别如图所示 ,, 5 需要说明的是如果把雷达定义为 ,, 波形分集雷达的话正交波形只是波形分集的一个特例也是目前大家通常默认的雷 ,, 达实际上还存在大量的部分相关波形雷达通常认为部分相关波形 ,, ,, 雷达指的是阵元级波形部分相关后来又出现了子阵图不同波形相关系数时的雷达类别 5 正交 ,, 雷达的概念其实也算是部分 2 +5 #&( ! %!##!%!%%(!("&!!($#&"(%%("& ) ) - 相关波形雷达的种只不过子阵正交 ,, %9#(%! 雷达可以借鉴现有的正交波形设计结果其得到的发射能量覆盖图是一个宽波束其波束宽度 ,, 由子阵的阵元个数确定而阵元级波形部分相关雷达则更灵活通过波形设计其不仅可以得到 ,, 宽波束的发射能量覆盖图一般搜索时使用如图所示也能得到同时多个独立窄波束的发射能量覆盖图且各波束的增益可以不同一般搜索并跟踪或者同时跟踪多个目标时使用如图所示图宽波束发射能量覆盖图图同时多个窄波束发射能量覆盖图 ) )- ) )- 2 + !#"&("(! &! &"%! 2 + !#"&("(! &! &"%! 9((# $&(# 既然雷达的平台可以产生波形分集其也可以产生完全相同的波形所以雷达应该 ,, ,, 是相控阵雷达的一个扩展即波形由完全相同扩展到波形不同相控阵雷达则是雷达的一个特 ,, 例或者说雷达可以完全兼容相控阵雷达因为其平台完全可以根据波形设置工作在相控阵雷 ,, 达模式上其实当雷达工作在相控阵模式时其完全变成了一个数字阵列雷达数字阵列雷达 ,, 的基本原理与相控阵雷达相同只不过是每个发射天线阵元都对应一个波形产生器每个波形产生器都产生波形相同初相不同的波形等效于用多个波形产生器代替了相控阵雷达中的移相器其实多个波形产生器完全可以产生多个不同的波形故从此角度说数字阵列雷达没有充分利用平台存在的资源需要强调的是雷达通常发射宽波束或者同时多个独立波束这时其接收波束的覆盖也需要和发 ,, 射波束能量覆盖相同因此其往往需要同时形成多个接收波束所以雷达一定是体制的 ,, 2 系统 % 雷达特点由雷达的基本原理可知其各发射天线发射的波形可以独立控制可以根据不同应用场景 ,,

! *$+ + ./ 数据采集与处理来实现同时满足距离速度分辨要求的时域波形和空间能量分布要求的发射方向图在接收端通过综合利用发射波形特性及接收空域自由度来获得良好的探测性能相对于相控阵雷达其主要优势在于工作模式灵活相控阵雷达是通过控制发射信号相位来实现发射信号的空间功率合成 , 雷达可以控制多个发射通道的发射信号波形其可控自由度更多雷达多个发射通道可以 , ,, 像相控阵雷达一样发射相同的信号波形形成一个窄的发射波束也可以发射完全正交的信号波形形成全空域全向发射方向图也可以根据要求发射相关的信号波形形成同时多个方向发射或展宽的赋形方向图窄波束发射可以用于单目标跟踪全向或宽波束发射可用于目标搜索多方向发射可以用于多目标同时跟踪其带来的显著优势是可以综合利用发射波形来解决时间和能量资源的矛盾在多功能雷达中有广阔的应用前景测角精度高由前面的雷达第一种处理流程知道通过波形分集可以得到虚拟天线孔 . ,, 径实现天线孔径的扩展从而提高测角精度其实质是雷达测角可以联合使用发射和接收天 ,, 线两端处理而传统的相控阵雷达只能使用天线接收端处理其测角精度只和接收天线孔径有关所以孔径扩展的定义应该是虚拟天线孔径和接收天线孔径的比值再减去 ,, 雷达测角精度的提高或者天线孔径的扩展和以下两个因素有关收发天线位置 # 不同的天线收发位置得到的虚拟天线孔径不同所带来的天线孔径扩展也不同如图和图分 / 别为正交波形雷达发收和发收的天线孔径扩展示意图可以看出图的天线孔径扩 ,, . / 展为倍其测角精度也会提高倍图的天线孔径扩展看似接近倍其实其为大约因为虚拟 < 天线阵列的中间阵元幅度较大由较多的阵元合成两边阵元幅度较小由较少的阵元合成等效于进行了幅度加权其孔径会有一定损失所以该收发结构的正交雷达测角精度大约提升这种 ,, < 结构是一般雷达天线中常用的收发天线共用等间距线阵结构这也正是人们常说的雷达测角精 ,, 度会提升的根源 < 发射波形的相关系数理论研究表明在其他条件都相同的条件下雷达的测角精度随着其发射波形的相关系数改变而变化在正交波形时其测角精度最高等效于天线孔径扩展最大随着波形相关系数的增加测 ,, 角精度会下降在波形完全相关即相干也就是常规的相控阵雷达时测角精度最低等效于没有天线孔径扩展有关部分相关波形雷达的天线孔径扩展不太好直接给出类似于正交波形时孔径扩 ,, 展的物理解释不过可以结合子阵正交雷达进行类似的物理解释 ,, 杂波抑制能力强多普勒频率分辨率高强杂波背景下的目标探测是雷达技术面临的重要课题获得良好的杂波抑制性能的基础是长的波束驻留时间传统的窄波束发射体制受搜索空域多目图正交波形雷达发收天线图正交波形雷达发收的天线 / ,, . ,, 孔径扩展示意图孔径扩展示意图 ) - 0 ) - 0 2 +/ *!& #$#!!# # (!& !(%!,,!##! 2 + *!& #$#!!# # (!& !(%!,,!##! &!#"&&" !& "#$9#(%! . &!#"&&" !& "#$9#(%! ) ) ) ) &!#"&#"&(""##"!(((#"&(""# &!#"&#"&(""##"!(((#"&(""#

赵永波等雷达技术综述 ,, 5 标跟踪等因素限制波束驻留时间有限杂波抑制性能难以提高雷达可以通过宽波束或同时 ,, 多个窄波束发射在保证搜索或跟踪数据率条件下增加波束驻留时间提升杂波抑制能力和多普勒频率分辨率在强杂波背景下慢速目标探测方面具有良好应用前景数据率高雷达在正交发射波形模式下可以通过同时多波束接收实现长时间波束驻 ,, 留在保证搜索空域和探测威力的条件下可以通过滑窗处理获得更高的数据率可以显著提升雷达对机动目标跟踪性能多目标跟踪能力强传统相控阵雷达对多目标跟踪是分时实现雷达可以实现同时多 5 ,, 目标跟踪即同时发射多个窄波束在不同目标方向上根据需要配置发射增益且各个发射波束方向的时域波形可以实现正交可以有效解决多目标跟踪中的资源配置跟踪精度和时间能量冲突等问题抗干扰能力强传统相控阵雷达发射的波形各向同性即各个方向上的时域波形相同 ,, 雷达各发射天线的时域波形不同因此在不同方向上空间合成的时域波形各不相同对方的干扰机在副瓣方向采用储频转发方式进行欺骗式干扰干扰信号和主瓣方向上的目标回波波形不同通过匹配滤波处理以后对干扰具有一定的抑制作用如果采用被动定位方法来对雷达进行定位由于 ,, , 雷达不同方向上的发射信号是不同的对其进行定位较为困难因此雷达具有更强的抗侦 , ,, 察定位和抗干扰的能力图分别为同一雷达在方向为和处的合成信号可 . ,, 1= = .= 以看出三者的现状差别很大图雷达方向时域波形图雷达方向时域波形 ,, 1= ,, = ) - ) - 2 + "&(&9#(%!%!,, 2 + "&(&9#(%!%!,, !##!" 1= !##!"= 能量利用率高雷达在对信号进行接收时仅对期望探测空域范围内的回波信号进行接收而范围外的回波信号被认为是干扰因此可以认为仅落在接收空域范围内的发射能量有效而副瓣内的能量都被浪费了传统相控阵雷达往往发射高增益窄波束当需要对大空域范围进行搜索时需要分时进行这样就存在多次副瓣能量浪费而雷达通过对发射波形设计可以发射宽波束同时对大空 ,, 域范围进行同时搜索副瓣能量浪费少因此具有更高的能量利用率尤其是天线阵列是稀布阵列时波束的副瓣大能量浪费更严重雷达的优势更明显雷达和相控阵雷达比其主要不足 ,, ,, 之处如下运算量大由于雷达往往同时形成的波束数目多且波束驻留时间长积累时间长运 # ,, 算量大不适合做单目标跟踪雷达发射能量覆盖宽度宽增益有损失在进行单目标跟踪时只 ,,

! *$+ + ./ 数据采集与处理有目标方向附近的发射波束能量有用其他地方的能量没有用造成发射波束能量浪费严重不适合做单目标跟踪使用脉冲综合距离副瓣高容易带来目标之间的互相影响把脉冲压缩变成了时空匹配滤波处理其输出距离副瓣高且不能通过加窗的方法降低距离副瓣会造成距离不同但是速度相同的目标之间的影响尤其是大目标距离副瓣会对小目标检测有影响目前研究的波形对多普勒频率敏感不利于高速目标探测由于雷达采用波形分集技术为了设计 ,, 雷达波形方便目前大都采用相位编码波形这会把 ,, 相位编码波形的固有缺陷带进来即波形对多普勒频率敏感尤其是波形时宽宽或目标速度较高时 & 雷达研究现状图雷达方向时域波形 . ,, .= 2 +. "&(&9#(%!%!,,!##! ) - ".= 雷达的概念于年被美国林肯实验室提出后其迅速成为了雷达领域研究的热点每年 ,, . 的国际会议和期刊都有不少关于雷达的论文发表 . 在年出版了一本雷达信号处理的专著在 ,, . 7 ,, 年等结合阵列信号处理技术对雷达的性能进行了 . ((!#" ,, 深入的分析 5 在年美国林肯实验室公布了该实验室设计的波段和波段两个雷达实 . 7 ; ,, 验系统的实验结果在年等发表了一篇关于 . 雷达的综述性文章对比了雷达和常规相控阵列雷达的性能在最近几年的会议和期刊上都有大量雷达的论文发表目 ,, 前国际上对雷达的研究热度有增无减在如和雷达会议等许多著名的国际 ,, ' '$#! . 7 ,, ,, 会议中都设有雷达的专场讨论会 ,, 根据现有的研究状况分析国内外雷达学者对雷达的研究主要分为两个方面雷 ,, ,, 达自身技术方面主要从系统总体包含子阵正交雷达波形设计信号处理参数估计以及阵 ,, 列误差校正等方面对其进行了广泛的研究 . 结合具体应用背景的雷达相关技术方面主要包含双基地雷达主要是和估计以及天波 ,,': ,,' ,, ' ,, . ,, 雷达等 . 目前国内外对雷达的研究存在五多五少的特点理论问题研究得多实际工 ,, 程应用问题研究得少正交波形研究得多部分相关波形研究得少相位编码波形研究得多其他 . 编码波形研究得少一维线阵研究得多二维平面阵研究得少优点讨论得多缺点讨论得少在 5 年的期刊上雷声公司发出了不同的声音他们从工程角度指出关于 . ' ,# #>"( , ) 雷达的现有研究成果大部分是无用的这也从侧面反映了目前对雷达的研究太专注理论而 , ,, 与实际应用脱节的现状虽然雷达的概念是近几年才提出的但在此之前国际上早已有对这类技术的研究例如在 ,, 世纪年代末法国国家宇航研究局与汤姆逊公司研制的综合脉冲与孔径雷达 . 2 "&(& - 0 0 $(#"# (!& !(!##! ': ,, 就是采用了雷达的这种多输入多输出思想并在实验系统上得到验证该雷达采用正交波形的思想稀布圆形阵列的发射天线设计通过各个阵元能全向 ,, 发射正交的频率编码信号以实现各个天线单元对空间的全向照射在接收端通过直达波与目标回波进行相关接收实现对发射信号的综合脉冲处理以形成相干接收与发射波束 ' 雷达应用前景及技术发展分析雷达的理论研究已有较好的研究基础结合具体应用背景开展雷达的应用研究是目 ,, ,,

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