MIMO雷達(dá)及其特性綜述*

李仙茂， 董天臨， 黃高明

(1. 華中科技大學(xué) 電子與信息工程系，湖北 武漢 430074； 2. 海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

MIMO雷達(dá)及其特性綜述*

李仙茂1,2， 董天臨1， 黃高明2

(1. 華中科技大學(xué) 電子與信息工程系，湖北 武漢 430074； 2. 海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

MIMO雷達(dá)是目前正處在快速發(fā)展的新概念雷達(dá)系統(tǒng)，在定位精度、對(duì)低速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)、空間分辨率，以及對(duì)付隱形目標(biāo)和低截獲概率等方面具有傳統(tǒng)雷達(dá)不可比擬的優(yōu)勢(shì)，其發(fā)展現(xiàn)狀和需要研究的問(wèn)題值得關(guān)注。從分類(lèi)、特性、優(yōu)點(diǎn)等多個(gè)方面對(duì)MIMO雷達(dá)的特點(diǎn)與問(wèn)題進(jìn)行分析，重點(diǎn)研究了集中(相干)MIMO雷達(dá)和寬域分布MIMO雷達(dá)各自的優(yōu)點(diǎn)和存在的不足，并展望了進(jìn)一步研究方向。

MIMO雷達(dá)；分集；多路徑；相干處理；參數(shù)估計(jì)

0 引言

MIMO(multiple-input multiple-output)雷達(dá)是采用多個(gè)空間分置的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的雷達(dá)系統(tǒng)。最早開(kāi)始研究MIMO雷達(dá)的是美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)的林肯實(shí)驗(yàn)室，林肯實(shí)驗(yàn)室在提出MIMO雷達(dá)的概念后，受到美國(guó)空軍的重視與資助，很快就發(fā)表了一系列的相關(guān)文章[1-5]。通常說(shuō)，MIMO雷達(dá)可被看做是一種多基地雷達(dá)，分置的術(shù)語(yǔ)意味著它的特征，那就是MIMO雷達(dá)區(qū)別于多基地雷達(dá)，它與MIMO通信的關(guān)系較近。

有源天線(xiàn)陣用于雷達(dá)系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)過(guò)了透徹的研究，不管從系統(tǒng)應(yīng)用方面，還是從目標(biāo)檢測(cè)、參數(shù)估計(jì)方面都有很多的文獻(xiàn)記錄，目標(biāo)參數(shù)對(duì)于雷達(dá)系統(tǒng)主要包括目標(biāo)大小、位置和多普勒特征[6]。

相控陣?yán)走_(dá)的接收機(jī)采用數(shù)字波束，可控制多個(gè)相似波束和多個(gè)自適應(yīng)陣列處理陣元的接收信號(hào)[7-8]，可最佳化一些性能參數(shù)，如信干比[9]，在機(jī)載和其他平臺(tái)，檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和從雜波中辨別目標(biāo)具有重大作用。這個(gè)使得空時(shí)自適應(yīng)處理(space-time adaptive processing，STAP)方法在陣列天線(xiàn)雷達(dá)應(yīng)用中得到發(fā)展[10-11]。另外，空間波束、陣列信號(hào)接收處理，可產(chǎn)生對(duì)雷達(dá)目標(biāo)到達(dá)角的高精度估計(jì)，如采用MUSIC法或最大似然法(maximum likelihood，ML)[6]等。

相控陣天線(xiàn)采用多發(fā)射單元能聚集和控制發(fā)射功率[8]，相控陣?yán)走_(dá)的天線(xiàn)單元是典型相關(guān)的，不管在接收端還是發(fā)射端，多部雷達(dá)適合以多站的模式配置[12]。典型的多基地雷達(dá)是在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)獨(dú)立雷達(dá)的系統(tǒng)，每部雷達(dá)進(jìn)行一個(gè)大量的本地處理，每個(gè)本地處理的結(jié)果可傳遞給中心處理機(jī)，由它融合這些結(jié)果。

在20世紀(jì)90年代，一個(gè)新的有趣的概念出現(xiàn)，采用多個(gè)發(fā)射單元的雷達(dá)——綜合脈沖孔徑雷達(dá)(synthetic impulse and aperture radar，SIAR)[13-14]。SIAR雷達(dá)發(fā)射陣列的正交波形。這個(gè)性質(zhì)導(dǎo)致一個(gè)接收機(jī)要接收混合的信號(hào)，但是可以對(duì)它們分別處理。通過(guò)綜合脈沖模式，SIAR獲得寬帶雷達(dá)(改善測(cè)距精度)的優(yōu)點(diǎn)，但只需用獨(dú)立天線(xiàn)發(fā)射窄帶波形。不像傳統(tǒng)的波束，SIAR特征是全向輻射，這個(gè)概念包括一組比典型多基地雷達(dá)具有更高度協(xié)作的雷達(dá)站。同樣地，它類(lèi)似于無(wú)線(xiàn)通信中的MIMO系統(tǒng)，后來(lái)的公開(kāi)文獻(xiàn)采用MIMO雷達(dá)這個(gè)詞表示采用協(xié)作多發(fā)射的系統(tǒng)[15-16]。

國(guó)內(nèi)對(duì)于MIMO雷達(dá)起步較國(guó)外稍晚，主要從2007年開(kāi)始有這方面的研究文獻(xiàn)發(fā)表，但國(guó)內(nèi)也做了大量的研究工作，在參數(shù)估計(jì)[17-19]、目標(biāo)檢測(cè)[20]，目標(biāo)檢測(cè)性能分析[21-23]，在波形設(shè)計(jì)[24-25]、旁瓣抑制[26]、誤差分析[27]等方面做了大量的研究工作。

本文從分類(lèi)、特性、優(yōu)點(diǎn)、發(fā)展優(yōu)勢(shì)，以及目前還存在的問(wèn)題等方面，對(duì)MIMO雷達(dá)做一個(gè)系統(tǒng)的綜述，能夠清晰展現(xiàn)MIMO雷達(dá)的前景，了解MIMO雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)和不足、存在的難點(diǎn)和發(fā)展的方向。本文第2部分介紹MIMO雷達(dá)的定義和特點(diǎn)；第3部分主要研究集中(相干)MIMO雷達(dá)的特性和需要研究的重點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題；第4部分主要研究寬域分布MIMO雷達(dá)特性和需要研究的重點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題；第5部分對(duì)全文研究?jī)?nèi)容進(jìn)行總結(jié)。

1 MIMO雷達(dá)定義和特點(diǎn)

1.1 MIMO雷達(dá)基本模型

MIMO雷達(dá)系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。假設(shè)目標(biāo)由Q個(gè)獨(dú)立同分布均值為1/Q的散射點(diǎn)組成，假設(shè)目標(biāo)屬于SwerlingI分布。發(fā)射陣為M個(gè)天線(xiàn)，接收陣N個(gè)天線(xiàn)，收發(fā)間形成N×M的傳輸矩陣H，則

H=KΣG，

接收信號(hào)R，則

R=HS=KΣGS，

式中：S=(s1，s2，…，sM)為M個(gè)天線(xiàn)的發(fā)射信號(hào)。

圖1 MIMO雷達(dá)典型基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical basic structure of MIMO radar

1.2 MIMO雷達(dá)基本概念

通常定義下，許多傳統(tǒng)的系統(tǒng)都可以視為MIMO雷達(dá)的特例。例如，合成孔徑雷達(dá)(SAR)就可以看做是MIMO雷達(dá)的一種。盡管SAR一般都是采用單一發(fā)射天線(xiàn)和單一接收天線(xiàn)，但天的位置有所轉(zhuǎn)變，因而給人的印象是信息在并行處理，MIMO雷達(dá)的特點(diǎn)就是充分自由，SAR和典型MIMO雷達(dá)的重要區(qū)別就是SAR沒(méi)有足夠的信道能力對(duì)所有發(fā)射接收配對(duì)進(jìn)行量測(cè)。相當(dāng)于是僅僅對(duì)信道矩陣的對(duì)角元素進(jìn)行量測(cè)[28]。

MIMO雷達(dá)應(yīng)用了多樣化的信號(hào)技術(shù)，發(fā)射天線(xiàn)輻射可能相互關(guān)聯(lián)，可能毫無(wú)關(guān)系，接收天線(xiàn)接收并分離這些信號(hào)。在現(xiàn)在大多數(shù)文獻(xiàn)中，都假定來(lái)自每一部發(fā)射天線(xiàn)的波形是正交的，但在MIMO雷達(dá)中這種假定是不必要的，盡管正交性有助于簡(jiǎn)化處理過(guò)程。

MIMO雷達(dá)體系概念是連續(xù)統(tǒng)一的，但在現(xiàn)有文獻(xiàn)中涉及到了幾種基本的體制。存在2種分類(lèi)：①根據(jù)接收或發(fā)射天線(xiàn)單元之間是集中分布還是還是寬域分散分布的，可分為集中MIMO雷達(dá)和寬域MIMO雷達(dá)；②一種是發(fā)射天線(xiàn)陣單元(接收天線(xiàn)陣單元)空間分布很廣，且將每個(gè)天線(xiàn)接收信號(hào)當(dāng)做是多個(gè)獨(dú)立散射體的回波的情況下，稱(chēng)為統(tǒng)計(jì)MIMO雷達(dá)；另一種是發(fā)射天線(xiàn)陣單元(接收天線(xiàn)陣單元)空間上分布緊湊，遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo)回波對(duì)于收發(fā)天線(xiàn)陣來(lái)說(shuō)都是相關(guān)的，這類(lèi)稱(chēng)為相干MIMO雷達(dá)。因此說(shuō)，統(tǒng)計(jì)MIMO雷達(dá)是寬域MIMO雷達(dá)的一種，它是相對(duì)相干MIMO雷達(dá)而言的。集中MIMO雷達(dá)一般都是相干MIMO雷達(dá)。

MIMO雷達(dá)天線(xiàn)分布是多樣化的：MIMO雷達(dá)有的收發(fā)天線(xiàn)是同一組，有的接收和發(fā)射天線(xiàn)在空間上是分開(kāi)的；有的MIMO雷達(dá)的天線(xiàn)是接收和發(fā)射天線(xiàn)數(shù)量相同，間距相等，也有的數(shù)量不同或間距不相等的；有的MIMO雷達(dá)收發(fā)天線(xiàn)在同一條線(xiàn)上，但分為收發(fā)天線(xiàn)數(shù)量相等和不相等2種情況。

MIMO雷達(dá)的發(fā)射單元分別獨(dú)立地發(fā)射全向波形，或通過(guò)控制發(fā)射波形，相關(guān)發(fā)射波形產(chǎn)生不同的波束[29]。MIMO雷達(dá)天線(xiàn)可能是集中(相干)的，也可能是寬域分布的。

1.3 MIMO雷達(dá)特點(diǎn)

MIMO雷達(dá)性能優(yōu)勢(shì)明顯，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1) 提高目標(biāo)檢測(cè)可靠性和探測(cè)隱身目標(biāo)能力。MIMO雷達(dá)對(duì)多個(gè)不相關(guān)檢測(cè)通道的回波信號(hào)進(jìn)行平均，從概率統(tǒng)計(jì)意義上來(lái)說(shuō)，接收信號(hào)的信噪比趨于恒定值，克服由于目標(biāo)起伏造成的檢測(cè)性能的降低，能夠大大提高雷達(dá)系統(tǒng)檢測(cè)性能。研究顯示，隱身飛機(jī)并不是在任何方向上RCS都很小，它在抑制主要方向(主要是機(jī)身前方)RCS的同時(shí)，在某些方向會(huì)有很強(qiáng)的散射，但這些散射線(xiàn)一般比較窄，普通雷達(dá)很難捕捉到。MIMO雷達(dá)發(fā)射端采用空間分置的多個(gè)天線(xiàn)從不同角度同時(shí)照射目標(biāo)，接收端又從不同角度接收目標(biāo)回波，通過(guò)分集處理，有利于提高對(duì)隱形飛機(jī)的探測(cè)能力。

(2) 提高雷達(dá)系統(tǒng)的分辨特性及抗干擾能力。利用MIMO雷達(dá)形成的虛擬陣列可增大天線(xiàn)孔徑，獲得空間分集增益，提高參數(shù)估計(jì)精度。與傳統(tǒng)的相控陣?yán)走_(dá)相比，MIMO雷達(dá)可以對(duì)更多目標(biāo)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。在干擾存在情況下，可以獲得很好的干擾抑制性能，有效地提高干擾源附近目標(biāo)探測(cè)能力。MIMO雷達(dá)各發(fā)射機(jī)在空間發(fā)射不同的信號(hào)波形，系統(tǒng)具有豐富的空、時(shí)、頻和碼資源，可以考慮通過(guò)空時(shí)碼域信息處理對(duì)干擾加以抑制[29]。

(3) 擴(kuò)大雷達(dá)覆蓋范圍及抗反輻射導(dǎo)彈攻擊能力。MIMO雷達(dá)是一個(gè)合作的組網(wǎng)雷達(dá)，采用分布式雷達(dá)稀疏孔徑后，各雷達(dá)編碼發(fā)射、多天線(xiàn)接收，通過(guò)信號(hào)處理來(lái)解距離多普勒模糊，從而可擴(kuò)大雷達(dá)覆蓋范圍，大的天線(xiàn)間距使其具有抗摧毀能力。

(4) 提高目標(biāo)識(shí)別能力。由于采用超寬帶信號(hào)和從多角度觀(guān)測(cè)目標(biāo)，MIMO雷達(dá)還有潛在的目標(biāo)識(shí)別能力。

MIMO雷達(dá)可以擴(kuò)展雷達(dá)的探測(cè)空域，提高雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)可靠性和探測(cè)精度，具有抗干擾、抗隱身能力，因此可以作為國(guó)土防空雷達(dá)的一種新體制，用于對(duì)海上或空中目標(biāo)預(yù)警、跟蹤、識(shí)別。

文獻(xiàn)[30]證明MIMO比單發(fā)射天線(xiàn)雷達(dá)具有更大的自由度，這些增加的自由度支持柔性時(shí)間-功率管理[31]，使得它具有更高的測(cè)角精度和參數(shù)辨識(shí)能力[32-34]。由于，采用寬域分布天線(xiàn)，MIMO雷達(dá)有能力通過(guò)RCS分集改善性能[35]，通過(guò)多方向多卜勒估計(jì)能夠處理慢運(yùn)動(dòng)目標(biāo)[36]，和支持高精度目標(biāo)定位[37]。

2 集中MIMO雷達(dá)

2.1 集中MIMO雷達(dá)特性

就是發(fā)射天線(xiàn)陣單元(接收天線(xiàn)陣單元)空間上分布緊湊，遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo)回波對(duì)于收發(fā)天線(xiàn)陣來(lái)說(shuō)都是相關(guān)的，這類(lèi)稱(chēng)為集中或相干MIMO雷達(dá)。這里假定目標(biāo)散射回波對(duì)每個(gè)天線(xiàn)是相同的，最多只是有微小的時(shí)間延遲。

如果天線(xiàn)角距與散射陣的波束寬度相比顯得較小，那么就能進(jìn)行相干處理。典型集中(相干)MIMO雷達(dá)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。以空中監(jiān)視雷達(dá)為例可以很好地解釋上面的分析，因?yàn)榭罩心繕?biāo)與任何其它背景是分開(kāi)的。然而，對(duì)處在雜波背景中的目標(biāo)進(jìn)行這樣解釋就沒(méi)有那么清晰[28]。

天線(xiàn)發(fā)送和接收相干信號(hào)的MIMO雷達(dá)具備較高空間分辨率、較高慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測(cè)敏感性、更好的參數(shù)識(shí)別能力和自適應(yīng)陣列天線(xiàn)技術(shù)適應(yīng)能力[38]。波形優(yōu)化設(shè)計(jì)也成為了MIMO雷達(dá)系統(tǒng)一種關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)被用于捷變波束設(shè)計(jì)、MIMO雷達(dá)成像技術(shù)和參數(shù)估計(jì)等領(lǐng)域。

MIMO雷達(dá)稀疏陣列也是相干MIMO雷達(dá)的重要技術(shù)。MIMO系統(tǒng)性能以發(fā)射和接收天線(xiàn)陣構(gòu)成的虛擬陣列來(lái)表征，而一個(gè)有效虛擬天線(xiàn)陣列可以建立在部分稀疏陣列基礎(chǔ)上[39]，這樣稀疏陣列會(huì)比同等數(shù)量天線(xiàn)的傳統(tǒng)體系大得多，因此，稀疏陣列MIMO系統(tǒng)會(huì)有更好的內(nèi)在分辨率。

2.2 集中MIMO雷達(dá)天線(xiàn)陣列設(shè)計(jì)

陣列設(shè)計(jì)時(shí)，需權(quán)衡由空間旁瓣引起的空間模糊性和固有空間分辨率，特別的，在傳統(tǒng)天線(xiàn)陣列處理中，稀疏陣列可以形成比緊湊陣列更大的孔徑，更好角分辨率。然而，這些性能的改善卻導(dǎo)致旁瓣電平提高。同樣地，MIMO虛擬陣列可以是稀疏陣列、緊湊陣列或超緊湊陣列，可以通過(guò)減小虛擬陣列孔徑的方法，降低MIMO旁瓣水平，這種權(quán)衡的重要性取決于具體應(yīng)用情況。對(duì)于仰角向上雷達(dá)來(lái)說(shuō)，如空中監(jiān)視雷達(dá)，旁瓣不是一個(gè)主要因素；然而，對(duì)于機(jī)載地面監(jiān)視雷達(dá)來(lái)說(shuō)，背景模糊性就是需要重點(diǎn)考慮的因素[40-41]。

2.3 集中MIMO雷達(dá)主要研究問(wèn)題

(1) 發(fā)射波形設(shè)計(jì)

MIMO雷達(dá)發(fā)射信號(hào)向量可以設(shè)計(jì)為近似期望波形，同時(shí)，使不同目標(biāo)散射回波相關(guān)性最小化。設(shè)計(jì)波形需要考慮旁瓣最小化及主瓣需履蓋探測(cè)區(qū)域或目標(biāo)所在區(qū)域。

(2) 集中(相干)MIMO信號(hào)檢測(cè)與參數(shù)估計(jì)

集中(相干)MIMO雷達(dá)發(fā)射陣元間距較小，接收陣列與傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)類(lèi)似，與傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)相比，它能夠增加系統(tǒng)自由度，提高參數(shù)估計(jì)精度和空間分辨率，提高多目標(biāo)分辨能力等。其信號(hào)處理流程主要包括發(fā)射信號(hào)分離、接收數(shù)據(jù)自適應(yīng)處理、目標(biāo)參數(shù)估計(jì)與檢測(cè)等[19]。

3 寬域分布MIMO雷達(dá)

3.1 寬域MIMO雷達(dá)特性

寬分布發(fā)射機(jī)/接收機(jī)天線(xiàn)在捕獲目標(biāo)中，利用了目標(biāo)RCS值的空間分集。采用非相關(guān)處理，一個(gè)雷達(dá)的RCS空間變化能被發(fā)掘出來(lái)以獲得分集增益，有益于目標(biāo)檢測(cè)和各種參數(shù)(如到達(dá)角和多普勒)的估計(jì)。對(duì)目標(biāo)定位，表明相關(guān)處理所得的精度遠(yuǎn)超過(guò)由雷達(dá)天線(xiàn)波束支持的精度[42]。

至于多大的角距才能保證散射回波是相互獨(dú)立的，以得到空間分集增益，這要取決于目標(biāo)的細(xì)節(jié)特征，通過(guò)將目標(biāo)想定為散射陣可以實(shí)現(xiàn)相位響應(yīng)最優(yōu)化，使回波能量朝向天線(xiàn)。典型寬域分布MIMO雷達(dá)結(jié)構(gòu)如圖2。如果采取將目標(biāo)大小看作合理定向散射陣列，那么從理論上來(lái)說(shuō)就能實(shí)現(xiàn)散射波不相關(guān)。

圖2 寬域分布MIMO雷達(dá)基本結(jié)構(gòu)Fig.2 Typical basic structure of widely distributed MIMO radar

MIMO雷達(dá)有寬域分置的天線(xiàn)是以下討論的前提。從一個(gè)典型的觀(guān)點(diǎn)，寬分布的天線(xiàn)有利于大目標(biāo)的空域特性，一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于相關(guān)天線(xiàn)目標(biāo)它被看成一個(gè)點(diǎn)，而沒(méi)有空間分布特性。每種結(jié)構(gòu)和模型都有它的長(zhǎng)處和挑戰(zhàn)。相干天線(xiàn)MIMO雷達(dá)可模擬產(chǎn)生低截獲概率波形，不同于能量集中于一個(gè)目標(biāo)的方式，它的發(fā)射能量是平均分配在空間[15]。相對(duì)于傳統(tǒng)的相控陣?yán)走_(dá)，它的統(tǒng)一照射導(dǎo)致的增益損失，可過(guò)時(shí)間補(bǔ)償，因?yàn)樗牟ㄊ恍枰獟呙鑋16]。MIMO空域信號(hào)在相干天線(xiàn)系統(tǒng)中可用于估計(jì)多個(gè)目標(biāo)的雷達(dá)參數(shù)(位置，RCS等)，但是測(cè)量目標(biāo)的能力是受發(fā)射/接收天線(xiàn)陣瑞利精度的限制，寬分布天線(xiàn)支持高精度目標(biāo)定位。由于，都是關(guān)注通道，在MIMO雷達(dá)和MIMO通信技術(shù)之間搭起了橋梁。

MIMO系統(tǒng)使得無(wú)線(xiàn)電通信產(chǎn)生革命性變化[43]。最近的公開(kāi)文獻(xiàn)[36]表明，人們可以發(fā)掘相似的思想，在MIMO雷達(dá)和MIMO通信之間可以交叉受益，互相采用。這個(gè)早已被了解的現(xiàn)象就是雷達(dá)目標(biāo)提供豐富的散射環(huán)境產(chǎn)生5～20個(gè)分貝目標(biāo)RCS變動(dòng)，如圖3[44]所示。當(dāng)從不同的方向去看，這些目標(biāo)顯示本質(zhì)上獨(dú)立的散射回波。(文獻(xiàn)[35]有這樣的數(shù)學(xué)模型表征和例證)。MIMO 雷達(dá)的前提是寬分布的天線(xiàn)，這也是角度擴(kuò)散(RCS變化當(dāng)做一個(gè)方面的功能)能被發(fā)掘以多種方式改善雷達(dá)性能。對(duì)MIMO通信也類(lèi)似，傳輸媒體(通道)和目標(biāo)分別在通信和雷達(dá)中具有相似的角色。換句話(huà)說(shuō)，目標(biāo)視為雷達(dá)問(wèn)題的“通道”。舉例來(lái)說(shuō)，結(jié)合目標(biāo)反射，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)獨(dú)立的通道，由于多個(gè)獨(dú)立的輻射產(chǎn)生一種分集增益，類(lèi)似于通信中的對(duì)于通道衰落的分集增益。分集增益在通信中被很好地理解。在雷達(dá)中，思路是獨(dú)立觀(guān)測(cè)目標(biāo)可能有一個(gè)大概率小幅度的回波，但是增加觀(guān)測(cè)次數(shù)，所有觀(guān)測(cè)情況都有小幅度回波的概率就是任意小了。文獻(xiàn)[45]和一些其他的公開(kāi)文獻(xiàn)中，術(shù)語(yǔ)“統(tǒng)計(jì)”的已被用于MIMO雷達(dá)，用于發(fā)掘目標(biāo)的空間分集特性。

分集增益是MIMO通信能提供的2個(gè)關(guān)鍵增益之一，另一個(gè)增益叫做空間的多路徑[43]。在MIMO通信中的空間多路徑表現(xiàn)為能使發(fā)射和接收天線(xiàn)為信號(hào)傳輸建立多維空間。然后，通過(guò)適當(dāng)技術(shù)，有可能形成解相關(guān)的平行的多個(gè)通道，使通信速率能夠呈現(xiàn)與通道數(shù)成比例地增加。同樣地，在MIMO雷達(dá)中，當(dāng)回波從多個(gè)散射體或其與目標(biāo)結(jié)合體產(chǎn)生的豐富后向散射，多維的信號(hào)空間就建立起來(lái)了。通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，多個(gè)發(fā)射-接收路徑能被分離，以改善雷達(dá)性能。在通信中，使MIMO成為如此成功的一個(gè)概念的主要原因是能以空間維度代替帶寬資源。窄帶的通信系統(tǒng)通過(guò)MIMO技術(shù)成為一個(gè)寬帶的通信系統(tǒng)。在雷達(dá)中帶寬也扮演一個(gè)重要的角色。頻率分集已經(jīng)被用于RCS復(fù)雜目標(biāo)回波的解相關(guān)，而且由于具有寬帶波形，高精度定位估計(jì)也是有可能的。通過(guò)發(fā)掘空間多維度得到高精度的模型，MIMO雷達(dá)寬域分布天線(xiàn)有可能克服帶寬限制，而且能支援高精度目標(biāo)定位。同時(shí)，這類(lèi)型的 MIMO雷達(dá)存在空間分置系統(tǒng)的時(shí)間和相位同步的挑戰(zhàn)，并且，需要處理寬域分布的各感應(yīng)器之間的不明阻礙物。

圖3 飛機(jī)后向散射RCS值方位分布[46]Fig.3 RCS value of back scattering of airplane[46]

3.2 寬域MIMO雷達(dá)稀布陣天線(xiàn)

通過(guò)寬分布傳感器相關(guān)處理和數(shù)據(jù)融合分析能得到高精度模型。給定一個(gè)長(zhǎng)度L的線(xiàn)陣，全部以λ/2為間隔配置傳感器，從天線(xiàn)陣到目標(biāo)垂直距離d的測(cè)量精度大約是δ=dλ/L[42]。稀布陣保證精度，但是會(huì)引起柵瓣，隨機(jī)地放置感應(yīng)器到得稀布陣消除了柵瓣，但是比起完全陣，它要以旁瓣增加為代價(jià)，這樣的陣列被作為隨機(jī)陣處理，其屬性已經(jīng)有人研究[47-48]。對(duì)單一發(fā)射和N個(gè)接收單元的統(tǒng)計(jì)分析表明平均旁瓣水平(MSL)大約為1/N。用射頻波長(zhǎng)λ衡量寬域配置的MIMO雷達(dá)結(jié)構(gòu)，因此，通過(guò)雷達(dá)照射波形設(shè)計(jì)能大大超過(guò)帶寬精度限制。因?yàn)榫哂懈呔葏?shù)測(cè)量，目標(biāo)測(cè)量數(shù)也相應(yīng)能顯著提高。從效果上看，稀布陣天線(xiàn)首次使MIMO雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)超過(guò)精度單元(c/W)×(c/W)，其中，c為光速，W為帶寬，采用技術(shù)主要是分集增益[42]。一個(gè)目標(biāo)一旦被檢測(cè)到，MIMO雷達(dá)將切換到高精度模式以獲取更多信息，如高精度定位、目標(biāo)尺寸、目標(biāo)識(shí)別等。

雖然，MSL能通過(guò)天線(xiàn)陣單元數(shù)來(lái)控制，但更麻煩的性能問(wèn)題是旁瓣峰值電平(PSL)，它可能超過(guò)MSL10 dB，甚至更多[47]?？刂芃SL和PSL在MIMO雷達(dá)的高精度應(yīng)用中是重要問(wèn)題。在接收機(jī)之間和發(fā)射機(jī)之間保持相關(guān)，可使MSL水平降到接近1/(MN)。一個(gè)MIMO雷達(dá)要完全相關(guān)，需要用(M+N)個(gè)感應(yīng)器，而要獲得相同的MSL，一個(gè)普通的雷達(dá)需要一個(gè)發(fā)射機(jī)和MN個(gè)接收機(jī)，在一般情況下(M+N)?MN，可見(jiàn)MIMO雷達(dá)非常經(jīng)濟(jì)。

另外，還有各種各樣的技術(shù)被用于減小PSL，其中，頻率分集波形在文獻(xiàn)[48]被建議采納。另一個(gè)是線(xiàn)性隨機(jī)陣，它看起來(lái)是非相關(guān)和幾個(gè)隨機(jī)陣組成的，是MIMO雷達(dá)的一個(gè)自然的擴(kuò)展。

3.3 寬域MIMO雷達(dá)主要研究問(wèn)題

(1) 統(tǒng)計(jì)MIMO(簡(jiǎn)稱(chēng)SMIMO)信號(hào)檢測(cè)與參數(shù)估計(jì)

對(duì)于SMIMO雷達(dá)主要需研究?jī)?nèi)容如下：① SMIMO雷達(dá)理論分集增益；② SMIMO雷達(dá)對(duì)各種類(lèi)型起伏目標(biāo)的檢測(cè)性能；③ SMIMO雷達(dá)分集路徑不完全獨(dú)立時(shí)的檢測(cè)方法和性能；④ 針對(duì)雜波背景，對(duì)于雜波統(tǒng)計(jì)特性己知和未知情形下的檢測(cè)方法等[49]。

(2) 寬域MIMO雷達(dá)工程應(yīng)用需要解決的問(wèn)題

傳感器發(fā)射的集中同步，與處理中心的同步通信，傳感器之間的高精度相位同步(在ns量級(jí))。理論研究的難點(diǎn)包括更好地理解雙站和多站RCS現(xiàn)象，MIMO雷達(dá)的目標(biāo)跟蹤，在機(jī)載平臺(tái)和其他平臺(tái)的MIMO雷達(dá)運(yùn)用等。

4 總結(jié)與展望

從2003年提出MIMO雷達(dá)的概念后[1]，MIMO雷達(dá)得到快速的發(fā)展，表現(xiàn)出MIMO相對(duì)現(xiàn)有體制雷達(dá)具有特殊的優(yōu)勢(shì)，將MIMO雷達(dá)優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)總結(jié)如下：

(1) 提高雷達(dá)系統(tǒng)分辨特性和抗干擾能力

MIMO雷達(dá)可以對(duì)更多目標(biāo)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。在干擾存在情況下，可以獲得很好的干擾抑制性能，有效地提高干擾源附近目標(biāo)的探測(cè)能力。MIMO雷達(dá)中，各發(fā)射機(jī)在空間發(fā)射不同的信號(hào)波形，系統(tǒng)具有豐富的空、時(shí)、頻和碼資源，可以通過(guò)空時(shí)碼域的信息處理對(duì)干擾加以抑制。

(2) 復(fù)雜目標(biāo)包括大量散射點(diǎn)，這個(gè)使得它的RCS對(duì)于不同角度表現(xiàn)出分集特性。對(duì)復(fù)雜目標(biāo)的多單元通道解相關(guān)在寬域分布MIMO雷達(dá)中可實(shí)現(xiàn)。

(3) 一個(gè)目標(biāo)有空域分集的后向散射，具有適當(dāng)寬域分布傳感器的MIMO雷達(dá)通過(guò)最佳處理可得到分集增益，通過(guò)統(tǒng)計(jì)后表現(xiàn)出SNR的改善。MIMO雷達(dá)可以高精度地定位目標(biāo)，可以分辨空間上離得很近的目標(biāo)。高精度定位的效果需通過(guò)處理發(fā)射和接收信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其精度與載波波長(zhǎng)成正比。在一個(gè)寬域MIMO雷達(dá)系統(tǒng)中，高精度的目標(biāo)定位受到旁瓣影響和相位同步的挑戰(zhàn)。

(4) 寬角度區(qū)域的觀(guān)測(cè)能解決運(yùn)動(dòng)目標(biāo)方向測(cè)量模糊問(wèn)題

MIMO雷達(dá)具有多方面的高性能，是將來(lái)一個(gè)非常有前途的方向。相信不久將來(lái)，隨著理論研究的深入和工程技術(shù)的快速發(fā)展，MIMO雷達(dá)將會(huì)得到實(shí)際應(yīng)用，而其部分概念和技術(shù)將提前得到應(yīng)用。

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Introduction of MIMO Radar and Its Character

LI Xian-mao1,2,DONG Tian-lin2,HUANG Gao-ming1

(1. Huazhong University of Science and Technology,Department of Electronics and Information Engineering, Hubei Wuhan 430074, China; 2. Naval Engineering University,College of Electronics Engineering, Hubei Wuhan 430033, China)

MIMO radar is a kind of new concept radar which is rapidly developing currently. It has the advantages in the aspects of location accuracy, detection of low speed targets, space distinguishing, dealing with invisible targets and low probability of intercept targets etc., which are better than those of traditional radar. Its development and main problems at present worth our attention. From the classification, characteristics, advantages, and the problem that exists etc., the characteristics and problem of the MIMO radar are analyzed. The weakness and strength of the concentrated (coherent) MIMO radar and widely distributed MIMO radar are introduced respectively and the future research direction is put forward.

multiple-input multiple-output(MIMO) radar; diversity; multiple paths; coherent processing; parameter estimation

2014-05-03；

2014-07-31

國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA7014061)；國(guó)家自然科學(xué)基金(61372165)

李仙茂(1975-)，男，福建周寧人。高工，博士，主要研究方向?yàn)镸IMO雷達(dá)、雷達(dá)有源干擾。

通信地址：430074 湖北省武漢市解放大道717號(hào)148信箱 E-mail：xianmao916@163.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2015.04.021

TN958

A

1009-086X(2015)-04-0124-08