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MIMO(多输入多输出)雷达
发布时间:2014年 02月 18日

 

多输入多输出系统(MIMO,Multiple Input Multiple Output)原本是控制系统中的一个概念,表示一个系统有多个输入和多个输出。MIMO技术早期用于干扰无线信号,后来则用于移动通信和固定宽度的无线领域。如果将移动通信系统的传输信道看成一个系统,则发射信号可看成移动信道(系统)的输入信号,而接收信号则可看成移动信道(系统)的输出信号。在通信中,多径引起的衰落通常被认为是有害因素,不过对于MI-MO系统而言,多径可以作为一个有利因素加以利用。MIMO技术可有效利用多径引起的衰落来成倍地提高业务传输速率。MIMO技术的引入是无线通信的一场革命。基于通信系统中的MIMO技术的使用情况,Eran Fishler在2004年提出了MIMO radar的概念。MIMO雷达要求发射机和接收机都被分开放置。通过把发射或接收天线阵列在空间分置一定的间隔,实现目标的空间分集,利用目标的空间分集来改善检测性能。目前,贝尔实验室提出的MIMO雷达体系比较完善,它完全不同于传统雷达阵列系统。传统雷达接收机阵列的信号高度相关,可以实现相干处理,而MIMO雷达接收的信号彼此互不相关,完全借用移动通信中空间分集的思想来进行信号处理。

在常规雷达中,目标的起伏会使回波的幅度闪烁,引起雷达性能的下降,因而是被视为有害的。MIMO雷达却相反,它正是利用了目标的起伏来改善雷达的性能。MIMO雷达的优势包括硬件简单、有效口径大、通过空间分集能对抗目标衰落等。其中空间分集技术最为突出,如果回波能够被描述为随机过程,不同视角上的目标回波可认为是统计上独立的,空间分集利用这一点来提高雷达的发现概率。如果不同视角的空间采样积累足够,MIMO雷达就可发现常规雷达不能检测到的弱小目标。所以,MIMO雷达主要利用了空间分集技术,用以克服目标起伏和多径影响,提高检测能力。

MIMO雷达的基本原理

广义上来说,只要使用了多个发射天线和接收天线的雷达都可称为MIMO雷达。按照发射天线和接收天线通道是否相关可划分为四大类:SISO(Single Input Single Output)系统,或常规相控阵系统。SIMO(Single Input Multiple Output)系统,发射通道相关,接收通道不相关。MISO(Multiple In-put Single Output)系统,发射通道不相关,接收通道相关。MIMO(Multiple Input Multiple Output)系统,发射和接收通道均不相关。只需要匹配滤波就可完成脉压功能,收发天线距离多基地分置。但实际上,MIMO雷达也可以采取SIAR那样的配置。也可以说,SIAR其实是MIMO雷达的一种特例,而MIMO是SIAR的一种扩充。

MIMO雷达结构的关键点是雷达发射机和接收机都被分开放置以便得到角展宽(空间分集)。该系统的优点在于其平均接收能量近似于恒定(对空中目标的RCS进行平滑),不像传统雷达那样存在目标RCS起伏,空间分集增益超过相干处理增益。通过把发射或接收天线阵列在空间分置一定的间隔,从而实现目标空间分集的雷达系统就是MIMO雷达系统。MIMO雷达阵列的各个天线之间间距非常大,以至于对空间目标形成角展宽(空间分集),不同的发射/接收通道之间信号去相关,回波的平均接收能量近似为常数(因空间分集,近似RCS基本不变)。故发射天线阵列的各阵元发射相互正交波形(或不同载频信号)。同时,由于利用了目标的空间分集特性,可提高对空中目标的分辨力。传统阵列雷达系统的阵列孔径紧密排列,目标和阵列距离很远,点目标的假设是很好的近似。在MIMO雷达中,发射或接收阵列之间的距离非常大,目标的更精确模型是由多个分布在上面的散射点组成的,点源模型不再适合描述其目标特性,而分布源模型则能说明目标的空间特性。

MIMO雷达的优势

与传统的定向阵列雷达相比,MIMO雷达有以下几点优势:

(1)MIMO雷达阵列天线要求增大各天线单元的空间距离,这样就减少了天线单元间的互耦振子对,大大降低了误差因素,这种天线结构配置允许MIMO雷达发射接收连续的电磁波。最重要的一个特点是,在同等条件下,和传统的定向阵列相比,MIMO雷达使用较少的物理天线单元,这将降低制造成本,同时天线的重量、风向载荷也大大地降低了,这是很有针对性的优势。

(2)在MIMO雷达中,要求使用频率步进的连续波形,不同步进频率随机出现,这样使MIMO雷达具有电子反对抗(ECCM)能力。在通常的远场探测中,电子对抗技术可以根据原有成型的发射机的特点和空间结构来分析计算雷达目标回波信号,采取相应的电子对抗技术。而MIMO雷达天线阵列孔径的发射频带是空间变化的,发射的即时场强模式在空间也不一致,对抗装置无法捕捉回波的频率信息。同时对抗装置也没有成型的分析MIMO雷达发射机的常识,不能实现电子对抗的旁瓣目标注入技术,所以MIMO雷达具有限制噪声的干扰,有效抵制电子对抗技术的能力。

(3)MIMO雷达天线收发分置,使用合成的虚像孔径阵列天线,可以完成电子战的欺骗式干扰。同时,由于使用多个发射站,不同发射站之间互为诱饵,提高了雷达的抗摧毁能力。但是由于目前MIMO雷达对使用波形的特殊要求,因而在实际应用中也会产生相应的约束条件。从上面对MIMO雷达的分析可以看出,确实有其独特的优势。MIMO雷达是一种稀布阵雷达,它与另外一种稀布阵雷达-SIAR有很多相似之处,但也有很多不同。如SIAR采用的是频率步进分集来实现正交信号,窄脉冲的形成要对回波进行延时再相加综合,布阵的形式是单基地内外两个圆阵。

MIMO雷达使用连续波,在进行远距离探测和高分辨率应用时,就会产生一定的局限性。因为这些应用都需要大量的步进频率值,需要大量的在不同的频率值上适当的驻留时间。如果使用连续波,进行频率变更时就会产生很长的时间间歇。故MIMO雷达的局限性主要表现在不能有效地实现对快速移动目标的多普勒信号处理过程。

MIMO雷达作为一种新的雷达体制,一经提出,便受到了国内外的广泛关注。但目前对MIMO雷达的研究大多停留在理论阶段,有很多理论问题亟待突破。可用通道矩阵H的秩来评价MIMO雷达的性能,按照MIMO雷达的原理,发射天线间距要非常大,这为系统设计带来了很大的难度。现在雷达界就已经开始思考如何用相对较小的间距获得大的秩。另外如何寻找最优的正相位编码,需要高分辨算法等都是在MI-MO雷达领域需要继续深入研究的方向。

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