基礎(chǔ)：MIMO雷達(dá)工作原理

時間：2021-11-15 14:38:26

關(guān)鍵字： MIMO 雷達(dá)

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[導(dǎo)讀]MIMO架構(gòu)的起源MIMO表示多個發(fā)射多個接收的意思。MIMO雷達(dá)概念是指多個輻射站（點）和接收站（點）。除了多收多發(fā)的結(jié)構(gòu)外，MIMO的思想來源于“分集“的概念。根據(jù)分集技術(shù)，各接收天線元應(yīng)接收不同的信息，進(jìn)而提高系統(tǒng)的整體性能，如（通信中）鏈路質(zhì)量、雷達(dá)檢測概率或定位精度。從...

雷達(dá)通信電子戰(zhàn)" data-alias="RadarCommEW" data-signature="專業(yè)知識服務(wù): SAR，相控陣，MIMO 雷達(dá) 人工智能 AI 通信干擾抗干擾電磁戰(zhàn) Matlab，Verilog，F(xiàn)PGA 軟硬件設(shè)計" data-from="0">

MIMO架構(gòu)的起源

MIMO表示多個發(fā)射多個接收的意思。MIMO雷達(dá)概念是指多個輻射站（點）和接收站（點）。除了多收多發(fā)的結(jié)構(gòu)外，MIMO的思想來源于“分集“的概念。根據(jù)分集技術(shù)，各接收天線元應(yīng)接收不同的信息，進(jìn)而提高系統(tǒng)的整體性能，如（通信中）鏈路質(zhì)量、雷達(dá)檢測概率或定位精度。

從處理的角度來看，MIMO雷達(dá)允許在接收時通過數(shù)字波束形成（DBF）形成“事后”傳輸圖。在某種程度上，與先前出現(xiàn)的發(fā)射相控陣波束形成概念一致，MIMO概念實現(xiàn)了“數(shù)字化”雷達(dá)。
MIMO并不是一個新概念，它是為通信應(yīng)用而開發(fā)的，它為減輕多徑衰落環(huán)境下的信號傳輸提供極大的優(yōu)勢。MIMO在雷達(dá)領(lǐng)域應(yīng)用是最近才出現(xiàn)的。雷達(dá)的第一次引入MIMO體系架構(gòu)也可能是80年代末，當(dāng)時并不叫MIMO，是巴黎薩克雷大學(xué)的國立航空研究辦公室（ONERA）發(fā)明的RIA。
同時，利用兩個同心圓陣列制作了一個演示系統(tǒng)來演示MIMO的能力。緊隨其后的研究工作，例如法國湯姆森公司（現(xiàn)為泰勒茲公司）的（RIAS），以及類似中國用于預(yù)警監(jiān)視和跟蹤的雷達(dá)。

MIMO雷達(dá)概念

與單收多發(fā)（SIMO）雷達(dá)相反，MIMO雷達(dá)允許在每個天線單元上同時傳輸不同的波形，導(dǎo)致天線圖沒有聚焦在一個唯一的方向上。因此，它由每個單獨發(fā)射機發(fā)射空時編碼組成。

上圖說明了SIMO和MIMO配置之間的差異。一旦接收機捕獲到這些波形，就可以通過一組匹配濾波器（MF）提取出編碼信息，每個MF都適合于特定的波形。所提取的每個分量包含一個傳輸路徑的信息。然后將收集到的信息一起處理。就可恢復(fù)整個發(fā)射方向角的信號。

兩種基本的工作原理：
?統(tǒng)計MIMO雷達(dá)：發(fā)射陣元（和接收陣列元件）間隔較遠(yuǎn)，為每個天線提供獨立的電磁散射響應(yīng)。利用發(fā)射和接收的分集可以提高角度檢測性能。
?相干MIMO雷達(dá)：發(fā)射陣元（和接收陣元）間隔較近，因此目標(biāo)位于發(fā)射（和接收）天線陣的遠(yuǎn)場。假設(shè)目標(biāo)的電磁散射響應(yīng)對于每個天線對子是相同的，包括一些小的延遲特性。當(dāng)使用優(yōu)化的稀疏陣列時，譜估計性能會得到顯著提高。
圖:MIMO虛擬陣列示意圖，它是發(fā)射天線單元（此處為稀疏陣列）與接收天線單元的位置的卷積。
在某種意義上，MIMO系統(tǒng)的性能可以通過由發(fā)射和接收天線位置的卷積構(gòu)造的虛擬矩陣來表征，如圖所示。因此，可以使用構(gòu)造的稀疏矩陣填充（插補）虛擬的陣元。
原則上，在天線單元數(shù)相同的情況下，這種虛擬陣列可以比等效傳統(tǒng)系統(tǒng)的陣列大得多。因此，與等效的實體陣列天線相比，MIMO系統(tǒng)將以較小的代價具有更好的空間分辨率。

（a）筆尖形掃描波束（b）發(fā)射寬波束（c）發(fā)射多個同時編碼波束圖：雷達(dá)發(fā)射和接收波束策略

MIMO的性能優(yōu)勢

研究表明，同地MIMO雷達(dá)系統(tǒng)具有許多優(yōu)點，例如出色的雜波干擾抑制能力，改進(jìn)識別性能，以及增強發(fā)射波束圖設(shè)計的靈活性。這些優(yōu)點可以提高目標(biāo)檢測性能和角估計精度。需要說明的是，對三種傳輸配置給出性能比較：
?SIMO雷達(dá)——發(fā)射筆尖波束
為連續(xù)探測感興趣的方位，采用聚焦波束進(jìn)行電子掃描。這種波束通常由發(fā)射機線性相位變換法則獲得。數(shù)字接收模式聚焦在即時發(fā)射波束相同的方位上。
–角分辨力：最佳，因為發(fā)射波束很窄。–空域覆蓋：受限，因為只有一小部分空間同時被照射。在嚴(yán)酷情況下，例如存在要跟蹤許多目標(biāo)，這可能是一個嚴(yán)重的問題。–信噪比：最佳，因為傳輸?shù)哪芰考性谟邢薜纳刃慰臻g。
?SIMO雷達(dá)——發(fā)射寬波束
發(fā)射波束在仰角上加寬。這種波束圖可以通過發(fā)射機相位的平方定律得到。用于接收的數(shù)字筆尖形圖可以在探測扇區(qū)的不同方向上形成一系列平行波束圖。
–角分辨力：降級，因為發(fā)射波束比前一個配置更寬。–空域覆蓋：增強，因為波束允許較長的照射時間。它還導(dǎo)致更長時間的目標(biāo)照射時間，從而提高多普勒頻率分辨力。–信噪比：降級，因為能量在大角度扇區(qū)中傳輸，從而導(dǎo)致比之前的配置的性能下降，此外，增加了對來自副瓣方向干擾的敏感性。
?MIMO雷達(dá)
從雷達(dá)功能的角度來看，一切似乎都?xì)w功于通過編碼聚焦波束同時探測所有方位。
–角分辨力：最佳，因為我們在接收時通過DBF恢復(fù)了類似SIMO發(fā)射聚焦波束。也可以根據(jù)不同的雷達(dá)功能需求（如監(jiān)視、目標(biāo)跟蹤和特性化、抗干擾）來形成特定波束，從而實現(xiàn)MIMO的靈活性。這就是MIMO雷達(dá)隨處可見的本領(lǐng)。–空域覆蓋：最佳，因為在脈沖傳輸過程中會照亮大角度范圍（各向同性輻射）。–信噪比：降級，因為能量在較大的角扇區(qū)中傳輸，與SIMO聚焦波束相比性能下降。
與傳統(tǒng)的波束寬度相比，MIMO雷達(dá)的波束寬度要寬3到4倍，同時獲得較好的主瓣和旁瓣（例如波束寬度、紋波、旁瓣電平）特性。寬波束對感興趣的動目標(biāo)是非常重要的，例如對于突發(fā)目標(biāo)（躍升的直升機、潛望鏡），或淹沒在地雜波中的慢速小目標(biāo)，需要更長的照明時間來獲得多普勒分離。
作為MIMO雷達(dá)系統(tǒng)可能應(yīng)用的例子，我們可引用更好的空間分辨率成像雷達(dá)的工作進(jìn)行舉例，例如穿透墻壁的探測和地面場景的環(huán)境二維成像。
在機載地面監(jiān)視背景下，我們可以將空時自適應(yīng)處理（STAP）技術(shù)擴展到無需密集全天線陣情況下而提供更好的天線方向性的多收多發(fā)空時自適應(yīng)處理（MIMO-STAP）技術(shù)。它在不使用全密集天線的情況下提供了更高的天線方向性。
在海上超視距監(jiān)視的背景下，高頻表面波雷達(dá)（HFSWR）中采用MIMO配置可以克服傳統(tǒng)雷達(dá)在方位指向性和帶寬的限制。