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MIMO雷达原理及优缺点.pdf

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2012年第 5期 2012,No.5 电 子 对 抗 EU CrRONIC W ARFARE 总第 146期 Series No.146 · 学 术论 文 与技术 报告 · MIMO雷 达 原 理 及 优 缺 点 分 析 常晋 聃 赵 培 宇2 甘 荣兵 兰 竹 (1.电子信 息控 制 重点 实验 室 ,成 都 610036;2.94136部 队 ,银 川 750025) 摘 要 文章介绍 了相参 MIMO雷达的原理 ,包括收发信号模型、匹配滤波、波束形成、脉 冲积 累和 多 目标检 测 。在此 基 础 上 分析 了 MIMO雷达 的优 点和 缺 点 。优 点 包括 抗 截获 、 抗 干扰 和 虚拟 阵 ;缺点 包括 信噪 比损 失 、模 糊 函数 的清 晰 区被 压 缩 以及 虚 拟 阵 易受 干扰 。 文章 可 以 为 MIMO雷达 对抗提 供 对 象的先验 知 识 。 关 键词 MIMO雷达 虚拟 阵 模糊 函数 清晰 区 Principles of M IM O Radar and Its Advantages and Disadvantages Chang Jindan Zhao Peiyu Gan Rongbing Lan Zhu (1.Science and Technology on Electronic Information Control Laboratory,Chengdu 610036,China; 2.Unit 94136,Yinchuan 750025,China) Abstract:The principles of MIMO radar are described in this paper,including signal model,match filtering,digital beam forming,pulse integration and moving target detection.On this basis,the ad— van tages an d disadvan tag es of MIMO radar are discussed.The advantag es involve LPI,ECCM an d phan tom array.The disadvan tages involve sign al—noise-ratio loss。the compression of clear area of ambiguity function and the vulnerability of phantom array.The paper provides object knowledge for the ECM against MIMO radar . K eywords:M IM O radar ; phantom array; ambiguity function; clear ar ea 1 概 述 MIMO(Multiple Input Multiple Output)的概 念最 早 源 于控制 理论 。上 世 纪 90年 代 中期 ,由贝尔 实 验 室 的科 学 家 G.J.Foschini首 先 将 MIMO 的概 念 引 入无 线移 动 通 信 系 统 ,并 获 得 了成 功 。本 世 纪 初 ,人们 开 始 将 MIMO概 念 拓 展 到 雷 达 领 域 。在 2003年 到 2004年 的 一 些 雷 达 会 议 上 ,如 the 37th Asilomar Conference on Sign als,Systems and Comput— els,the 38th Asilomar Conference 以 及 2004 IEEE Radar Conference等 ,学 者 们 正 式 提 出 了 MIMO雷 收稿 日期 :2011年 12月 23日 达 的概念 ,并设 立专 题讨 论 了相关 的理论 问题 l_1 J。 MIMO雷 达 的 基 本 含 义 是 :雷 达 采 用 多 个 发 射 天线 ,同时 发射相 互正 交 的信号 ,对 目标进 行 照 射 ,然 后用 多个 接 收天 线 接 收 目标 回波信 号并 对 其 进行 综合 处 理 ,提 取 目标 的空 间位 置 和运 动 状 态 等信 息 。MIMO雷达 的观测 模 型如 图 1所 示 , 个 发射 天线 发射 个相 互 正交 的信号 ,Ⅳ 个接 收 天线 同时 接收 个 发射 信 号产 生 的 目标 回波 ,因 而形 成 了 MN 个 观测通 道 。这正 是 MIMO雷 达 区 别于传 统 雷达 的核 心所在 。 目前世 界 上对 MIMO雷 达 的研究 主要 分 为两 派 :一 派是 以新 泽西 理工 学院为 代表 的研究 队伍 , 主要 研究 分 布式 MIMO雷 达 [ ;另 一 派 是 以林 肯
2 电子对抗 2012年第 5期 试验 室为 代 表 的 研 究 队伍 ,主 要 研 究 相 参 MIMO 雷达 [ 。 发 Ⅳ 收的 MIMO雷达 有 个 发 射 阵 元 和 Ⅳ个 接收 阵 元 。 个 发 射 阵 元 发 射 个 相 互 正 交 的信 号 s1(t),s2(t),… ,s (t),即 f。 ( ) ( )d :f 。 = (1) J s (r)s (r)dr i 0 (’ ≠ 式 (1)中 是 第 距 离 单 元 的起 始 时 间 , 是 脉 警 宽 ,cf1是 常数 。 发 射阵列 , Rt 接收 阵列 向的 目标 时 ,信 号 为 图 1 MIMO雷 达 观 测 模 型 P (t)=d1·5 (t—r ) (2) 第 m个阵元发射的信号 s (t)到达位于 方 在 分布式 MIMO雷达 中 ,多个 发射 天线 的空 间 分布很广,多个发射信号从不同的角度照射 目标 , 虽然 由于 目标 RCS的起 伏会 使 目标对 单个 发 射波 形 产生 的回波会 表现 出剧烈 的起伏 ,但 经过 接收端 对多个信号 回波的综合处理后 ,目标 回波 的信噪 比 表现 出近似稳定 的信噪 比 ,从 而可 以有 效 的克服 目 标闪烁引起 的 雷达检 测 性能 下 降 问题 。 目前 雷达 界对 分布 式 MIMO雷 达 的研 究 主要 以理论 研 究 为 主 ,未见试验 系统和工程样 机 的报道 。 相参 MIMO雷达 的发射天 线 阵和 接 收天 线 阵 的 阵元 在 空 间上 分 布 紧凑 ,远 场 目标 回波 对 于 收 式 (2)中 z- 是 相对 于第 一个 阵元 的延 时 ,即 rm: ‘ 一 一 (3) \ -,/ 式(3)中 C是光速 ,d是阵元问距 ,当 s (t)是窄带 信 号时 ,有 Pm(f)=a1 s (t)e—J m=a1 s (t)e—j m (4) 其 中 : (m 一1) (5) a 是传输损耗 ,可认 为对各信号相 同,则位 于 处 的 目标被 照射 的和信 号为 发天 线 阵来说 都是 相关 的 。但 由于多个发 射 天线 p( ):∑ Pm(£)=al·∑ s ( )e—j (6) 发射 的是 相互 的正 交 的信 号 ,形 成 的发 射 波束 是 低增 益 的宽波 束 ,在 接 收 端通 过 接 收 DBF可 以形 成高 增益 的接 收 窄 波 束 。相 参 MIMO雷 达 中 ,发 射 阵 和接 收 阵 可 以共 用 阵元 ,也 可 以是独 立 的两 个 阵列 。其配 置 可 以是单 基 地 的 ,也 可 以 是 双基 地 的 。雷达界 对相 参 MIMO雷达 的研 究 已进 入 工 程 实现 阶段 ,林肯 实验 室构 造 了 波 段 和 波 段 的 MIMO雷 达试 验系统 ,并做 了相关 试验 ,验证 了 窄带 MIMO雷达 和宽 带 MIMO雷 达 的性 能 。在 林 肯 实验 室发 布 的 2011年 度 Facts中 ,将 地 基 动 目 写 成矢 量形 式有 P(t)=al (0)s(t) (7) a (臼)=[1,e一 ,e—j2~,… ,e—j(M一 ) lT是 发 射 阵 列的导 向矢量 ,s(t)=[ l(t),S2(t),… ,sM(t)IT 是发 射信 号矢量 , =2ud·sin0/2。 信号 P(t)经 RCS为 的 目标 散射 ,接 收阵 的 第 n个阵元 接 收到 的信号 为 (t)=a2p(t—r)+ (t)=a2p(t)e一 +v (t) (8) 标 指示 MIMO雷达 的设 计作 为其 在 先进 传感 技 术 式 (8)中 (t)是 第 n个接 收阵元 的噪 声 ,a2是 目 领 域 的研究 方 向之一 。 标散射 系数 和传 播 损耗 的总 和 ,则 接 收信 号 向量 本 文 以相参 MIMO雷达 为研究 对象 ,讨论 MI. 为 MO雷 达 的 原 理 并 分 析 其 主 要 的 优 点 及 缺 点 ,为 对 MIMO雷 达 的对抗 提供对 象知 识 。 (9) 2.1 MIMO 雷达 的收发 信 号模型 X(t)=a2a,(e)p(t)+v(t) (10) 写 成 向量形 式有
总第 146期 常晋 聃 ,等 :MIMO雷 达原 理及 优缺 点分 析 3 式 (10)中 ar(0)=[1,e- ,e- ,… ,e-j(Ⅳ一 )≠T是 接 收 阵 e 一 列 的导 向矢量 ,则 有 1 e 一 Ⅳ 一 ) Z=[ar( )oa ( )]‘a‘c+U (19) X(t)=O:1a2 a ( ) (O)s(t)+v(t)= b(0)=a ( )o a ( ) (20) 口A( )s( )+V( ) (11) 则 式 (11)中矩 阵 A( )为 z:b( ).口.c+u (21) A(0)= e—j≠ e—j(M 一1)≠ e—j2声 e—j脚 匹配 滤波在 具体 实现 时 ,除时域 求相关 外 ,也 可 以采 用频 域处 理来 实现 ,如 图 2所示 。 ● : e—j肼 e—j(Ⅳ +M 一2)≠ N xM (12) 2.2 MIMO雷 达 的 匹配滤 波处理 对 每个接 收 阵 元 收 到 的信 号 都 用 个 匹 配 滤波 器进 行 匹配 滤波 ,即 可分离 出 个发 射 信 号 所 贡 献 的 回波 成 份 。 由于 各 信 号满 足 正 交 性 ,匹 配滤 波可 以用 相关 器来 等效 实现 。 第 n个 阵元 收到 的信号 为 (t)=o:e—J(一 ) aTt(O)s(t)+ (t) (13) 用 S (t)(i=1,2,… , )与 (t)做 相 关 进行 匹配 滤波 可 以得 到 个输 出 rt+ = I (t)Si (t)dt (14) 0 式 (14)中 ti是第 个距 离单 元 的起 始 时 间 。则 n1 = e —J( 一 1) c O + “nl 图 2 MIMO雷 达 频 域 匹 配 滤 波 2.3 MM O雷达 的 波束形 成 对 于 发 Ⅳ收 的 MIMO雷 达 ,接 收端 匹配滤 波后 有 MN 个输 出 ,由于 各发 射 和 接 收单 元 的位 置是 已知 的 ,对 这 MN 个信 号进行 移 相相加 ,则 可 以在 一个 或多个 方 向上形 成波 束 。 如在 P方 向上形成 接 收波束 ,其输 出为 Y(P)=b“(P)·Z (22) (15) 其 中 『 Z nl J] “c-n-1)~『。一 三1_。 ]c。+『 (16) 即 b(P)=a,(肛) a (P) (23) 当 P=0时 ,,,(p)输 出有 峰值 ,表示有 目标 。 匹配 滤波及 DBF如 图 3所示 。若 在 Ⅳ 个 方 向上形 成 接收波 束 ,各 波束 的输 出分别 为 Y(P ), _y(II2),… ,Y(PⅣ),若 在 P 的方 向上 有 目标 ,则 会 出现 峰值 。 … Z :oge—J( 一 a (0)Co+U (17) \ \ U 是 第 n个 阵 元 的 噪 声 和 信 号 向量 的进 行 相关 处理 得 出 的 向量 ,将 Ⅳ 个 阵元 的 匹 配滤 波 输 出 Z1,2:2,… ,ZⅣ组 成 MN 维列 向量 z 2 二 |! z l !! Z1 Z2 Z = Z1 : ● ZN a (0) e—j a ,(0) e-j(Ⅳ一 ) a (0) y(p )=b“(p . )·z (p )=b“(p )·z y(p )=b“(p )·z 图 3 MIMO雷达的波束形 成
4 电子对抗 2012年第 5期 若 空 间有 P个 目标 ,则接 收信号 模 型为 射功率 和发 射天 线增益 。与具有 相 同阵元 数 的相 , 三 X(t)=【 a ·A( )J s(t)+v(t) (24) = l 经 匹配 滤波后 的输 出为 控阵雷 达 相 比,MIMO雷 达 的 峰 值 功 率 为 相 控 阵 雷达 的 1/M ,发射 天线 增益 也 是 相 控 阵发 射 增 益 的 1/M。对 于表 1所 示 的 MIMO雷 达 系 统 ,在 接 , 上 . z={ [a ·a,( )6 a ( )]J·c+u(25) k= 1 图 3中 的匹配滤 波 和 DBF是 对第 i个 距离单 收端 经过 MIMO处理 的 目标 信噪 比是 束一,, 波一 ., 一 ~, 一 ~,㈣ SNR = 元 进行 的 ,重复上 述过 程可对 距离 单元 进行 搜索 。 2.4 MIMO雷 达 的多脉 冲积 累与 动 目标检 测 塑 I ~ 雷达参数 表 1 雷达系统参 数 定义 将 各方 向 DBF的输 出 Y1,Y2,… ,YN与 门 限 比较 ,若 超过 门限则可判 定 为在某 一方 向 、某 一距 离 上有 目标 。 由于 MIMO发 射 功率 较 低 ,需 要 进 行脉 冲积 累 。将 Q个 脉 冲重 复周 期 内 ,同 一距 离 单元 、不 同方 向的数 据排成 图 4所 示矩 阵 窭 匿 栅 量 蘧 亳 图 4 MIMO雷 达 多 脉 冲积 累 通过 多脉 冲积 累 ,可 以得 到 G M k F 曰 Bs r f R Df 全孔径发射的峰值 功率 全孔径发射的天线增益 全 孔 径 接 收 天 线 增 益 MIMO处 理增 益 MIMO射信号的个数 波 长 波尔兹曼常数 噪 声 温 度 接 收机 噪声 系数 接 收 机带 宽 单个 发射 脉 冲 的 带 宽 单个 发 射 脉 冲 的 脉 宽 目标 RCS 目标距离 雷 达 目标 检 测 门 限 O O O ∑ l( ),∑y2( ),…,∑ ( ) (26) i= 1 i= 1 i= 1 表 2 ELINT系统 参 数 再 将 以上各 值 与 门限 比较 。 ELINF参 数 定 义 对 Y 的各元 素 做 FFI’,可 以在 频 域 内进 行 门 限判 别 检 测 ,并 根据 峰 值 位置 确 定 目标 的多 普勒 频移 ,即径 向速度 。 3.1 MIMO 雷达 的抗截 获优 势 J 传统 雷达 为 了检测 到 RCS较 小 的 目标 ,往 往 采用 高峰值 功率 ,从 而 易 于 被 敌方 的 ELINT系统 截获 到 ,由 于雷 达探 测 目标 时信 号 经过 了双 程传 G . . 雷 达 发 射 天 线 在 ELINT系 统 方 向上 的增 益 ELINT接 收 天 线 在 雷 达 方 向上 的增 益 ELINT接 收机 的处 理 带宽 Fe ELINT接 收机 的 噪声 系数 fe D ), ELINT接 收机 的带 宽失 配损 失 ELINT处 理 器 的非 相 干 积 累 时 间 ELINT距 离雷 达发 射 机 的距 离 ELINT系 统 的检 测 门 限 非 相 干 处 理 因 子 对 于表 2所示 的 ELINT系统 ,经 过 ELINT接 收机处 理后 的 MIMO雷 达信号 的信 噪 比是 输 的衰减 ,而 ELINT系 统截 获 雷 达 的信 号 只经 历 = , 了单 程 的衰减 ,因 而 ELINT系统 相 对 雷达 具 有 距 离上 的 明显优 势 。 由于 ELINT系统能 够提前 发现 式 (28)中L j表示 与雷 达发射 信号 带宽 重 合 威胁 雷 达 的细节 ,因 而有 足够 的时 间采 取 相 应 的 的子带 ,L rP 表 示 与 接 收 到 的雷 达 信 号 重 合 的时 措施 (针对 性 的 电 子干 扰 或 安 全航 路 规 划 ),从 而 能够显著 的提高战斗平 台的存 活率 ,降低雷达武 器 系统 的作 战效 能 。 间片段 ,ELINT接 收机 的噪声 能量 是 k 710FeB 。对 于传统雷达 ,式中的 G /M应 当用 GT 来代替。 雷 达为 了检 测 到 目标 ,要 求 ,e SNR >D 。同样 MIMO雷 达 不 同于 传 统 雷 达 ,降 低 了 峰 值 辐 地 ,ELINT系统 为 了检 测到 雷达 信号 ,要 求 SNR >
总第 146期 常晋聃 ,等 :MIMO雷达 原理及 优 缺点分 析 5 D ,假设 两个系统所使 用 的门限具有相 同的检测 概 雷 达增 大 了 1000倍 ),这显 著 的提 升 了雷达 的 抗 率和虚警 概率 ,即 D 兰De,且 SNR =SNR ,即 截 获性 能 ,降低 了 ELINT系统 的作 战效能 。 PTGTa£ GMBsr P , (L 儿 f J) , n、 M (47r) RakToFB — LM(47tR ) kToFeB 化简 后得 3.2 Mn 雷 达的 ECCM 优 势 当 MIMO雷达 采用 双/多 基地 的配置 形式 时 , 接收 阵和 发 射 阵相 距 很 远 ,即 能 够 截 获 到 MIMO GMBsr Ge , , (LB L J) / n、 雷 达 的信 号 ,也 无 法 确定 接 收 阵 所 在 的位 置 。从 M 47rR4FB — LRZF eB 对于 理想 的 MIMO系统 ,有 GM=M,则 有 而具有 良好 的抗 反 辐 射 打击 和 反 电子 干扰 能 力 。 如典 型的舰 载 无 源 综 合孔 径 脉 冲 雷 达 _5j(目前 已 £GR Fe B Bsr , . 1 、 经实 现 的一种 MIMO雷达 ),利 用岸 上 的 大型 稀布 一 Ge,, 47 F B (L JLr ) 阵发射 多个 正 交 信 号 ,在 舰上 安 装 多 个 小 型接 收 假 设 ELINT系 统采 用 全 向天 线 ,即 Ge. =1, 阵列 ,可 以有任 意多个 接 收站 ,从 而 构成岸 一舰双 且采 用 了低 噪放 接 收 机 ,即 一F。雷 达 的接 收 多基地 式 MIMO雷 达 。 由于 接 收 阵 不 发 射 信 号 , 机一般与其信号是匹配的,即 B 。则 式(31) 因而具 有 良好 的 ECCM 特性 。 可进 一 步化 简 为 iO4 蔗 。 。 O"t·Be‘ 奇 (32) 令 R =R ,即 ELINT系统 位 于 雷达 目标 平 台 3.3 MIMO 雷达 的虚 拟阵 MIMO雷 达 的另 一 个 明显 的优 势 是 可 以利 用 少 数实 体物 理 阵元形成 具 有多个 虚 阵元 的虚拟 阵 列 _6j,从 而 扩展 了阵列 的孔 径 ,提 高 了阵列 的角 度 上 ,由式 (32)可 以解 出雷 达 和 ELINT系 统 具 有 相 分 辨 力 。 同检 测 概率 的距 离 ,即 r 1 1/2 R L ’ O"t ‘ Be"面 J (33) 在此 距离 以内 ,雷 达具 有优 势 ,而在 此距 离 之 目标 外 ,ELINT接 收机具 有优 势 。 以 目前 典 型 的舰 载 二 维 相 控 阵 雷 达 为 例 ,具 有 大 的孔 径 ,G :GR=1000。在 搜 索 模 式 下 ,雷 达会 采 用 较 短 的 脉 冲 (r=2~10kts)和 中等 带 宽 (B =1MHz),通 过脉 冲多 普勒 技 术 实现 脉 冲 串 的 相 干处 理 ,假设 系统 使用 中重 频 (5kHz),典 型 的驻 留时 间为 10个 脉 冲 (r ≥20 s)。相 应 的 ELINT系 l i l 发 射阵元 虚拟收发 接收阵元 阵元 图 5 MIMO雷 达 虚 拟 阵元 的形 成 统 采 用 宽 带 接 收机 ,在 非 相 干 处 理之 前 将 信 号滤 虚 拟阵元 的形 成 原 理 如 图 5所 示 ,以一 个 发 到某个 子带 中 ,假设 ELINT系 统 的处 理 带宽 是 B, 射 阵元 和一个 接 收阵元 为例 ,对于 远场 目标 ,发射 = 50MHz,从 而 可 以近 似 的认 为 L B — Bs,ELINT 阵元 到 目标 的距 离为 尼 ,接 收 阵元 到 目标 的距 离 系统 的 积 累 时 间 长 于 典 型 的雷 达 脉 宽 ,取 一 为 R 。雷 达信 号 由发 射 阵元 到 目标 的时 延 为 6 s,设 非 相 干积 累 因子 为 y=0.65。设 ELINT系 目标 回波 由 目标到 接 收 阵元 的时 延 为 如 果将 统 装在 RCS为 0dBsm 的战斗 机上 ( =1),将 以上 这对发 射 阵元 和 接 收 阵元 等 效 为 一个 收发 阵元 , 参数 的取 值 代 人 式 (33),可 以 计算 出在 225米 之 外 ,战斗机上 的 ELINT系统发现雷达信号要 比雷 设 此收 发 阵元 的 到 目标 的距 离 为 R,对 应 的 电磁 波传输 时延为 r,则应 有 达 发现 战斗 机要 容易 ,即 ELINT系统 占有 优势 。 2r=rf+r (34) 当把 上 述 的雷达 换 成 一 个 设 计 良好 的 MIMO 由此 可 以得 出 雷达 (M =1000),且保 持 了相 同的灵 敏 度 (需 要 积 累 时 间增 加 倍 ,即 ≥20ms),则 可 以 由式 (33) 计算 出等概率截获距离为 7.12km(比传 统相控阵 墨 R : (35) 由此 可 以得 出虚 拟收 发 阵元 的位置在 发射 阵
6 电子对 抗 2012年第 5期 元 和接 收阵元 边线 的 中点上 。一对 发慑 阵元 和 接 (子 阵 )的 MIMO雷 达 ,其 系 统 信 噪 比 为相 同配 置 收 阵元 可 以虚拟 出一个 收 发 阵元 ,则对 于 M 发 Ⅳ 的相 控 阵雷达 的 1/M 倍 。例 如采 用 10个 工作 波 收的 MIMO雷 达 ,发 射 阵元 和 接 收 阵 元 共 有 MN 形 的 MIMO雷 达 ,其 系 统信 噪 比与 相 控 阵雷 达 相 对 ,即可 以虚拟 出 MN个 收发 阵元 ,其个 数一般 是 比较 ,要低 10dB。 远 远大 于 或 Ⅳ 的 ,从 而 实 现 了 阵列 孔 径 的 扩 可 以证 明 ,MIMO雷 达要 达 到 与 相 控 阵 雷 达 展 。例 如 2发 4收 的 MIMO雷 达 ,可 以形 成 8元 相 同 的检测性 能 ,需 要 倍 于相控 阵雷 达 的脉 冲 的虚 拟阵 ,如 图 6所示 。 发射 阵元1 发 射阵 元2 /≯ 虚拟8元阵 , 11 ,yj T, 、 积 累时 间 。由 于 MIMO雷 达 采 用 宽 波 束 发 射 ,同 时多波束 接 收 ,一 次积 累时 间 内观 测 的空 域 范 围 大大宽 于相控 阵雷 达 ,完 成 对 整个 探 测 空 域 的搜 索 时 间与相 控 阵 雷达 大 抵 相 同 。在搜 索 状 态 下 , MIMO雷 达 的信 噪 比损 失虽 然 可 以说 是 一 种 牺牲 时间来换 取 空 间 的做 法 ,但 增加 相 干 积 累 时 间 的 方法 在工 程 实 现 中存 在诸 多 问题 ,如 接 收通 道 的 . _ ’ 成本 、复 杂性 、目标 散射 及 其 传 播路 径 的变 化 等 。 T 、T 、T 接收阵元l 接收阵元2 接收 阵元3 接收阵元4 在对 高速 目标 进 行 探 测 时 ,增加 相 干 积 累 时 间尤 为 困 难 。而在 跟 踪 状 态 下 ,MIMIO雷 达 的信 噪 比 图 6 MIMO雷达 虚拟 阵列 的形成 损失 则 是没 有 获 得 任何 好 处 ,所 以 MIMO雷 达 不 MIMO雷达 虚拟 阵 的一 个 典 型应 用 是 用 于雷 达 二 维成 像 ,雷 达 二维 成 像 的距 离 分 辨力 主要 取 决 于 雷达 信 号 的 带宽 ,方 位 分 辨力 主要 取决 于 天 线 的波 束宽 度 。要 提 高成 像 的距 离 分 辨 力 ,需 要 增加 雷达 信 号 的带 宽 ,是 相 对 比较容 易 的 。而要 提 高雷 达 信 号 的方 位 分 辨力 ,需 要 增 大 天线 或 阵 列 的孔径 ,而 这在 实际 中受 到多方 面 因素 的限制 , 有很 大 的难度 。 目前广 泛采用 的解 决办 法是 采用 合成 孔径 技术 ,在 不增 加天线 物理 尺寸 的基 础上 , 适合 于做 目标 跟踪 以及对 目标进 行 “烧穿 ”工作 。 4.2 MIMO 雷达模 糊 函数 的清晰 区 模糊 函数 是描述 雷达 信号 目标 检测性 能 的重 要工 具 。传统 雷达 采 用 单 个波 形 工 作 ,其 距 离 一 多普勒模糊函数为 I (r,/)f 2 (t)是雷达的 波形 )( (r,厂)= I M(t一寺)u (t+寺)e-Ja~dt 一 ∞ (36) 得 到大孔 径 的阵列 。与 合成 孔径 的思 想不 同 ,MI. 存在 杂波 的情 况 下 ,雷 达 的最 佳性 能 与模 糊 MO雷 达是利 用 多发 多 收 的天 线 结 构 等效 形 成 虚 函数所 覆盖 的体积 有关 ,即 拟 的 大孔径 阵 列 ,获 得 方 位 上 的高 分 辨 力 。而 这 种 虚拟 阵 的形 成 是实 时 的 ,能够 避 免传 统 的 ISAR 成像 中存 在 的运动补 偿 问题 。故 MIMO雷 达 在成 像 应用 上有 其独 特 的优势 。 (A) = Price和 Ho~tetter已经证 明 :如 果模 糊 函数 在 原 点处 (r=厂=0)有一 个体 积为 的主 峰 ,则 有 1 (A)≥÷VoC(A) 一 (38) 4.1 MIMO 雷达 的信 噪 比损失 c(A)是 区域 A 的面积 。模 糊 函数 的清 晰 区 是指在距离 一多普勒平面上不存在旁瓣 的最大区 域 。由式 (38)可 以 很 容 易 得 出清 晰 区 面 积 的 上 MIMO雷 达 与 传 统 相 控 阵 雷 达 相 比 ,存 在 着 限 ,即 系统 信 噪 比 的损 失 _7j。 由 于 个 发 射 阵元 (子 阵 )发 射相 互正 交 的信号 ,无法 在 空间实 现相 干叠 加 ,导 致发 射天 线 阵的增 益 降低 ,进 而导致 系统 的 C(A)≤4 (39) 因为如果 c(A)>4,曲面 l (r,/)I 下面 除 了包 含原 点处 的主 峰 (Vo)外 ,必 然 还 包 含 了 A 信 噪 比降 低 。 可 以 证 明 :对 于 有 个 发 射 阵元 上 的另外一 些 旁 瓣 的 体积 ,从 而会 存 在 模 糊 。传
总第 146期 常晋聃 ,等 :MIMO雷达 原理及 优 缺点分 析 7 统雷 达 模 糊 函数 的这 个 性 质 意味 着 ,在 距 离 一多 在外 部有 源 干 扰 的情 况 下 ,干 扰 天 线发 射 的干 扰 普 勒平 面 上可 以无 模 糊 (距 离 上 没 有 折 叠且 多普 信 号也 可 以通 过空 间辐 射进 入 到 MIMO雷 达 的接 勒频 率 上没 有 混 叠 )的观 察 到 的 区域 的最 大 面积 收 阵元 ,从 而破 坏 掉 MIMO雷 达 的 接 收 阵元 和 发 是 4个 单位 。 对 于 采取 个正 交 波形 的 MIMO雷 达 ,其模 糊函数为 l (r,f)l ,经过一系列复杂的数学推 导 可 以证 明 射 阵元 之 间的 形 成 的等 效 相 位 中心 ,使 MIMO雷 达无 法形 成 虚 拟 阵 。在 外部 有 源 干 扰 的情 况 下 , MIMO雷达 的 阵列孔 径 仍 为实 体 物 理 阵元 所 形 成 的孔 径 ,无 法 获得扩 展 的虚拟 阵 。 1 (A)= VMoMC(A) - r (40) (A )表 示 MIMO 雷 达 模 糊 函 数 l (r,f)l 在区域 上包含的体积。C(A)是 区域 A的 面积 , 是 正 交 波 形 的个 数 ,VMO是 MI. MO模糊函数在原点处 的主峰的体积。由式(4o) 可 以 同样 可 以得 出 MIMO雷达 模 糊 函数 的清 晰 区 的上 限 为 C(A)<~4/M (41) 因为当 c(A)>4/M时,I (r,f)I 除了包 含原 点处 的主 峰 (VoM)外 ,必 然 还 包 含 了 A 上 的 另外 一些 旁瓣 的 体 积 。 由此 可 以得 出 :对 于 使 用 了 个 具 有 相 同 能 量 、带 宽 和 占空 比 的 信 号 的 MIMO雷达 ,其 模 糊 函 数 在 主 峰 周 围 的 最 大 的 清 5 结 束 语 MIMO雷 达 作 为 一 种 新 体 制 的雷 达 ,有 其 独 特 的优势 ,但也 存在 着种 种缺 点 ,这 需要 雷达 界 的 研究人 员 发挥聪 明才智 ,扬 其 长而避 其短 ,推 动微 波波段 MIMO雷 达 的工程 化 。 电子 对 抗界 研究 人 员 ,也 有必 要对 MIMO雷达 进行 深 入 的对 象研 究 , 以期利 用其 缺点 ,针对 其优 点 ,探 索 出对 MIMO雷 达 的高效对 抗技 术 。 参考 文献 1 强勇 ,张冠杰 .MIMO雷 达进展及 其应用 研究 [J].火控 雷达技术 ,2010,39(1):1—10. 晰区不 会 超 过 4/M。 而 常 规 的使 用 单 个 波 形 工 2 E Fisher,et a1.M IM O radar:An idea whose time has come 作 的相 控 阵 雷达 ,其模 糊 函数 的 清 晰 区 的面 积 上 [C]//Philadelphia PA:Proceedings of the IEEE Radar Confer— 限为 4。即 MIMO雷达 模 糊 函数 的清 晰 区 面 积 只 enee.2004:71— 78. 有传 统 雷 达 模 糊 函 数 清 晰 区 面 积 的 1/M。相 当 于 MIMO雷 达 可用 于 目标 检测 的距 离 一多 普 勒 空 间被压 缩 了 倍 ,导致 MIMO雷达 在 目标 检 测 时 更 容 易 出现距 离 折 叠 或 多普 勒 模 糊 ,这 将 极 大 的 限制 MIMO雷达 的 目标检 测性 能 。这也 是 现 有 的 可 实现 的 MIMO雷达 基本 上都 工 作 于米 波 波 段 的 3 D.J.Rabideau,P.A.Parker.Ubiquitous MIMO Mtdtifunetion Digital Array Radar and the role of Time—Energy M anagemem in Radar[D].Lincoln Laboratory,2004. 4 夏威 .MIMO雷 达模 型与信 号处理 研究 [D].电子 科技 大 学 ,2004. 5 陈伯孝 ,许 辉 ,张守宏 .舰载无源综合脉冲/孔径雷达及 其若干关键 问题 [J].电子学报 ,2003,31(12):1776—1779. 原 因之 一 ,因为 在米 波波 段 ,目标 的多 普勒 频率 较 6 B.J.Donnet,I.D.Longstaff.MIMO Radar ,Techniques and 低 ,即使 雷 达选 择 较 低 的 工作 重 频 也 不会 出现 多 Oppomanities[C]//Manchester UK,Proceedings of the 3rd Eu— 普勒 混 叠 ,而低 重 频 又 可 以避 免 距 离 上 的 折 叠 。 ropean Ra dar Conf erence.2006:112 — 115. 但米 波 波 段 的 缺 点 是 导 致 MIMO 雷 达 的体 积 太 大 ,应用 场合 受 限 。 4.3 虚拟 阵 易受 干扰 由 3.3节 的分析 可知 ,MIMO雷达 虚拟 阵元 的 形成 是将 具有 不 同相 位 中心 的发射 阵元 和 接 收阵 元 等 效为 一个 虚 拟 的相 位 中心 而得 到 的 。这 种 虚 拟 的相 位 中心 的 缺点 是 容 易 受 到 干扰 ,因为 等 效 7 Fred Daum ,Jim Huan g.MIMO Radar :snake oil or good idea [C]//IEEE Waveform Diversity and Design Conference.2009: 183— 187. 8 Y.Abramovieh,G.Frazer.Bounds on the Volume an d Height Distributions for the MIMO Radar AmbiguityFunetion l J J.IEEE Si Proeessiong Letters,2008,15:505 —508. 作者 简介 相位 中心 的稳 定存 在需 要 接收 阵元 和发 射 阵元 以 常晋 聃 (1985一 ),男 ,宁 夏 兴 仁 人 ,硕 士 ,工 程 师 。 及 目标 之 间 存在 较 为稳 定 的 电磁 波 传 输 关 系 ,但 赵培 宇 (1978一 ),男 ,山 西 万 荣 人 ,本 科 ,工 程 师 。
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