一種新的MIMO雷達動目標檢測方法

李國強

摘 要：針對MIMO雷達的動目標顯示（MTI）特性，通過與傳統(tǒng)單延時對消方法對比，采用雙延時對消和變T技術(shù)處理盲速的方法進行動目標檢測。最后對比仿真實驗結(jié)果證明，在動目標檢測中使用雙延遲線對消和變T技術(shù)處理盲速的方法，能夠更好地提取雜波中的運動目標。

關(guān)鍵詞：MIMO雷達 動目標顯示（MTI） 延時對消

中圖分類號：S763 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（a）-0018-02

多輸入多輸出（MIMO）雷達是近幾年發(fā)展起來的一種新體制雷達。通常將MIMO雷達分為兩大類：一類是共置MIMO雷達，這類雷達系統(tǒng)的發(fā)射陣元間距很小，發(fā)射機從同一個角度照射目標，通過波形分集提高雷達系統(tǒng)性能；另一類是統(tǒng)計MIMO雷達，這類雷達發(fā)射陣元間距分散開，利用多個不同方位的雷達發(fā)射信號，較好地克服了目標RCS的角閃爍所帶來的性能損失，獲得較大的空間分集增益，能夠根據(jù)多普勒頻移解決慢目標的檢測問題，而且能夠克服帶寬的限制，實現(xiàn)更高精度的目標定位[1]。由于雷達天線接收到的信號除了感興趣的目標回波以外，還包括接收機的噪聲、以及各種雜波。

因此，當雜波和運動目標回波同時被接收時，會使目標的觀測顯得困難。一方面，如果目標回波信號混疊在強干擾雜波中，不可能完成自動門限信號檢測。即使目標回波信號與干擾雜波處在不同的距離、方位和仰角上，雜波背景也會影響雜波鄰近目標回波信號的分辨；另一方面，如果雷達終端采用自動檢測和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，則由于大量雜波的存在，將引起終端過載或不必要地增加系統(tǒng)的容量和復(fù)雜性。因此，無論從抗干擾或改善雷達工作質(zhì)量的觀點來看，選擇運動目標回波而抑制雜波背景很重要?？梢詮乃俣鹊牟顒e上來區(qū)分運動目標和雜波。由于運動速度不同而引起回波信號頻率產(chǎn)生的多普勒頻移不相等，這就可以從頻率上區(qū)分不同速度目標的回波[2]。因此，本文將討論后一種類型的MIMO雷達中MTI問題。

1 目標多普勒頻移及雜波功率譜

MIMO雷達在發(fā)射端共有M個以較大距離分布的發(fā)射基地，同時發(fā)射M個相互正交的信號，接收端共有N個接收基地，且分布距離也較大。在每個接收端，發(fā)射機利用信號的正交性分離來自不同發(fā)射的回波，這樣在每個接收端形成了M個獨立的信號通道，整個系統(tǒng)就形成了MN個獨立的信號通道，且每個信號通道相當于一部等效的雙基地雷達[3]。假如發(fā)射端發(fā)射的M個信號的波長λ相同，脈沖重復(fù)頻率相等，那么第k（k=1，2，…，MN）個通道（或第k部等效雷達）的多普勒頻移為：

（1）

式中，為第k部等效雷達的雙基地角，為第k部等效雷達角平分線與X軸的夾角。對雜波而言，除孤立的建筑物等可認為是固定點目標外，大部分雜波均屬于分布雜波且包含內(nèi)部運動，當天線不掃描時，固定雜波的功率譜是位于

位置上的離散譜線。當天線掃描時，由于雜波內(nèi)部的運動是雜亂無章、無方向性的，所以每部等效雷達的雜波譜的展寬可認為是一致的，即每部等效雷達的雜波功率譜用高斯函數(shù)表示為：

式中，是雜波的平均功率；為雜波的平均多普勒頻率；為雜波功率譜的標準偏差。與雜波速度的標準偏差的關(guān)系為：

（3）

式中的值只與雜波內(nèi)部起伏運動的程度有關(guān)，其量綱和速度的量綱相同。

2 MIMO雷達MTI基本原理

MTI（運動目標顯示）的本質(zhì)含義：基于回波多譜勒信息的提取而區(qū)分為運動目標和固定目標。當固定目標、地雜波與運動目標處于同一距離單元時，前者的回波通常比較強，以至于運動目標的回波被“淹沒”其中，故必須設(shè)法區(qū)分二者。因固定目標回波中的多譜勒頻率為零，慢速運動的雜波中所含的多譜勒頻移也集中在零頻附近，它們的回波經(jīng)相位檢波后，輸出信號的相位將不隨時間變化或隨時間作緩慢變化，反映在幅度上則為其幅度不隨時間變化或隨時間作緩慢變化。相反，運動目標回波經(jīng)相位檢波后，因其相位隨時間變化較大，反映在幅度上則為其幅度隨時間變化較快。因此，若將同一距離單元在相鄰重復(fù)周期內(nèi)的相檢輸出作相減運算，則固定目標回波將被完全對消，慢速雜波也將得到很大程度衰減，只有運動目標得以保留。顯然這樣便可將固定目標、慢速雜波與運動目標區(qū)別開來。這就是MTI對消的基本原理[4]。

2.1 單延時對消

單延時對消也稱一次對消，一次對消器是通過時域濾波來抑制零頻的靜止雜波，MIMO雷達MTI處理是在各通道單獨完成的，待每個通道各自做完對消處理，再綜合各通道的能量。

2.2 雙延時對消

單延時線對消器的幅頻響應(yīng)在零頻附近抑制雜波的零值區(qū)寬度可能達不到要求，一次延時對消器的輸出再加上另一個延時對消器如圖2，在其抑制雜波的凹口就能加寬，此結(jié)構(gòu)稱為雙延時對消，或簡稱二次對消。

2.3 變T技術(shù)

當時，對消器輸出為零，即當時，運動目標在對消器輸出端無信號輸出。這里當即時，對應(yīng)的固定目標無輸出，這是所希望的。與此同時徑向速度為零的動目標回波也會被抑制，這是不可避免的。但在時，具有這些多譜勒頻率（）的目標，在對消器輸出端也沒有輸出，因此稱對應(yīng)這些多譜勒頻率的目標徑向運動速度為盲速，記為，即：

（10）

可見盲速是目標在一個重復(fù)周期的位移恰好等于（或其整數(shù)倍）的速度。這時相鄰周期重復(fù)周期的回波初相位差。是（或其整數(shù)倍），所以從MTI雷達相位檢波器輸出的視頻脈沖幅度相等，故對消后[5]。盲速問題的解決可以把第一盲速提高到某個范圍之外，即改變脈沖重復(fù)周期。由于延遲線的延遲時間必須與前一次發(fā)射的脈沖間隔相等，當采用參差變周時，可采用有中間抽頭輸出的（即多種延遲時間輸出的）延遲線。本文采用一段短的延遲線，將接收回波（參差變周的）的時間加以調(diào)整，而成為等周期的，這稱為去參差，然后送到雙延時對消器去處理。

3 仿真分析endprint

通過仿真實驗對比單延時對消、雙延時對消響應(yīng)，進而驗證本文所提變T技術(shù)的有效性。設(shè)MIMO雷達的發(fā)射基地數(shù)M=2，接收基地數(shù)N=2，這樣MIMO雷達在接收端就形成了4個獨立的接收通道，參數(shù)設(shè)置如下： m，Hz，Hz，Hz，m/s，雷達發(fā)射脈沖重復(fù)周期 ms，理論探測最大距離 km。利用Matlab軟件進行仿真結(jié)果如下：

圖3比較了單延時對消和雙延時對消響應(yīng)，仿真結(jié)果可以看出，雙延時對消器相對于單延時對消器，在阻帶凹口谷底較寬，雜波抑制效果較好，雜波剩余不大；在通帶上幅頻響應(yīng)較平坦，目標回波信號不會損失，因此，雙延時對消響應(yīng)相比單延時對消響應(yīng)擁有更好的效果。

由圖4，5仿真結(jié)果可知，當目標以某徑向速度運動時，設(shè)置兩個不同的脈沖重復(fù)頻率，當運動目標在時，其，即盲速點，此時運動目標回波MTI處理輸出為0；而在時，由于，跳開了盲速點，MTI處理輸出不為0，并仍有較大輸出。這樣從到的變化（即變T），起到了反盲速的作用。

4 結(jié)語

通過理論分析及仿真實驗證明，MIMO雷達對運動目標回波采用單延時對消時的幅頻響應(yīng)在零頻附近抑制雜波的零值區(qū)寬度可能達不到要求，而采用雙延時對消及變T技術(shù)處理盲速的動目標檢測方法，不僅可以較好地解決盲速問題，而且可以通過改變參差數(shù)和參差比來獲得不同的響應(yīng)特性。同時還可以很好的抑制雷達檢波器輸出信號中的雜波，并能提取更精確的動目標回波信息，從而大大改善了MIMO雷達在雜波背景下檢測運動目標的性能。該方法相比傳統(tǒng)的單延時對消方法在抑制雜波的能力上提高了18%，具有較強的實用性及工程應(yīng)用性。

參考文獻

[1] 斯托伊卡，李建.MIMO雷達信號處理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2013.

[2] 趙樹杰.雷達信號處理技術(shù)[M].清華大學(xué)出版社，2010.

[3] MAHAFZABR，ELSHERBENIAZ.雷達系統(tǒng)沒計MATLAB仿真[M].朱困富，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[4] 基于Labview的雷達動目標仿真[J].羅仕紅，劉春生，譯.電子設(shè)計工程，2010，18（6）：33-35.

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[7] 王敦勇，馬曉巖，袁俊泉.MIMO雷達的MTI處理及性能分析[J].航天電子對抗，2008（1）：73-76.

[8] MIMO radar moving target detection in liomogeneous clutter [J].HE Qian， LLIIMANNN，BLCMRS，etal.IEEE Trans on Aerospace and Electronic Systems，2010，46（3）：1290-1301.

[9] MIMO radar detection in non-Gaussian and hererogeneous clutter [J].CHONG Chen-yuan，PASCALF，OVARLEZJP， etal. IEEE Jour-nal of Selected Topics in Signal Processing，2010，4（1）：115-126.endprint

通過仿真實驗對比單延時對消、雙延時對消響應(yīng)，進而驗證本文所提變T技術(shù)的有效性。設(shè)MIMO雷達的發(fā)射基地數(shù)M=2，接收基地數(shù)N=2，這樣MIMO雷達在接收端就形成了4個獨立的接收通道，參數(shù)設(shè)置如下： m，Hz，Hz，Hz，m/s，雷達發(fā)射脈沖重復(fù)周期 ms，理論探測最大距離 km。利用Matlab軟件進行仿真結(jié)果如下：

圖3比較了單延時對消和雙延時對消響應(yīng)，仿真結(jié)果可以看出，雙延時對消器相對于單延時對消器，在阻帶凹口谷底較寬，雜波抑制效果較好，雜波剩余不大；在通帶上幅頻響應(yīng)較平坦，目標回波信號不會損失，因此，雙延時對消響應(yīng)相比單延時對消響應(yīng)擁有更好的效果。

由圖4，5仿真結(jié)果可知，當目標以某徑向速度運動時，設(shè)置兩個不同的脈沖重復(fù)頻率，當運動目標在時，其，即盲速點，此時運動目標回波MTI處理輸出為0；而在時，由于，跳開了盲速點，MTI處理輸出不為0，并仍有較大輸出。這樣從到的變化（即變T），起到了反盲速的作用。

4 結(jié)語

通過理論分析及仿真實驗證明，MIMO雷達對運動目標回波采用單延時對消時的幅頻響應(yīng)在零頻附近抑制雜波的零值區(qū)寬度可能達不到要求，而采用雙延時對消及變T技術(shù)處理盲速的動目標檢測方法，不僅可以較好地解決盲速問題，而且可以通過改變參差數(shù)和參差比來獲得不同的響應(yīng)特性。同時還可以很好的抑制雷達檢波器輸出信號中的雜波，并能提取更精確的動目標回波信息，從而大大改善了MIMO雷達在雜波背景下檢測運動目標的性能。該方法相比傳統(tǒng)的單延時對消方法在抑制雜波的能力上提高了18%，具有較強的實用性及工程應(yīng)用性。

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[9] MIMO radar detection in non-Gaussian and hererogeneous clutter [J].CHONG Chen-yuan，PASCALF，OVARLEZJP， etal. IEEE Jour-nal of Selected Topics in Signal Processing，2010，4（1）：115-126.endprint

通過仿真實驗對比單延時對消、雙延時對消響應(yīng)，進而驗證本文所提變T技術(shù)的有效性。設(shè)MIMO雷達的發(fā)射基地數(shù)M=2，接收基地數(shù)N=2，這樣MIMO雷達在接收端就形成了4個獨立的接收通道，參數(shù)設(shè)置如下： m，Hz，Hz，Hz，m/s，雷達發(fā)射脈沖重復(fù)周期 ms，理論探測最大距離 km。利用Matlab軟件進行仿真結(jié)果如下：

圖3比較了單延時對消和雙延時對消響應(yīng)，仿真結(jié)果可以看出，雙延時對消器相對于單延時對消器，在阻帶凹口谷底較寬，雜波抑制效果較好，雜波剩余不大；在通帶上幅頻響應(yīng)較平坦，目標回波信號不會損失，因此，雙延時對消響應(yīng)相比單延時對消響應(yīng)擁有更好的效果。

由圖4，5仿真結(jié)果可知，當目標以某徑向速度運動時，設(shè)置兩個不同的脈沖重復(fù)頻率，當運動目標在時，其，即盲速點，此時運動目標回波MTI處理輸出為0；而在時，由于，跳開了盲速點，MTI處理輸出不為0，并仍有較大輸出。這樣從到的變化（即變T），起到了反盲速的作用。

4 結(jié)語

通過理論分析及仿真實驗證明，MIMO雷達對運動目標回波采用單延時對消時的幅頻響應(yīng)在零頻附近抑制雜波的零值區(qū)寬度可能達不到要求，而采用雙延時對消及變T技術(shù)處理盲速的動目標檢測方法，不僅可以較好地解決盲速問題，而且可以通過改變參差數(shù)和參差比來獲得不同的響應(yīng)特性。同時還可以很好的抑制雷達檢波器輸出信號中的雜波，并能提取更精確的動目標回波信息，從而大大改善了MIMO雷達在雜波背景下檢測運動目標的性能。該方法相比傳統(tǒng)的單延時對消方法在抑制雜波的能力上提高了18%，具有較強的實用性及工程應(yīng)用性。

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