MIMO雷达正交波形编码设计+文献综述(2)
目前，国际上对MIMO雷达的研究主要分为两种体制，其中一种是发射天线阵单元空间分布很广，这样远场目标回波对每个天线来说接收信号就可以认为是多个独立散射体的回波，称为统计(或空间分集)MIMO雷达。其中，统计MIMO雷达最为代表性文章为2004年Fishier等撰写的《MIMO Radar：An Idea‘Whose Time Has Come》8该文发表后统计MIMO雷达受到人们越来越多的关注。另一种就是发射天线阵(接收阵)单元空间上分布紧凑，远场目标回波对于收发天线阵来说都是相关的，其布阵和信号处理以及性能与统计MIMO雷达有很大差别，这类称为相参MIMO雷达。
MIMO雷达传输有多个通道，是基于多阵元天线结构,M发N收的MIMO雷达同时发射相互正交的信号, 这些多波形信号经由目标散射被N个接收阵元接收。由于发射信号的正交关系,多个发射信号在空间中能够保持各自的独立性,这样从发射阵到接收阵在空间中就能够同时存在MN个通道,每个通道对应一条特定的发射阵元到目标、目标到特定接收阵元的路径组合,通道的时延与目标和收发阵元的位置有关。接收端的每个接收阵元都使用M个匹配滤波器分别对M个发射波形进行匹配, 通过正交性分选可以得到MN个通道回波数据2。
目前，我们通常将在发射端和接收端有多个天线、且发射端发射不相干的信号样的系统认为是MIMO雷达系统。具体来说，目前的研究包括以下几种MIMO雷达:
(l)收发全分集的MIMO雷达：发射阵元间距和接收阵元间距都很大，目标为分布式复杂大目标，主要研究它的目标检测性能。由于阵元间距比较大，实际上也是一种稀布阵雷达，它与另一种稀布阵雷达一SIAR18有很多相似之处，例如都是发射不相干信号，并且是全向发射，阵元间距都很大，但也有很多不同，如SIAR是利用频率步进分集来实现正交信号，布阵的形式是单基地内外两个圆阵，接收端进行处理的时候是利用接收信号的相关性，而MIMO雷达发射端可以是任意的正交信号，收发天线的排列可以有多种形式，利用空间分集增益来获取性能的改善。(2)发射分集的MIMO雷达。发射阵元间距很大，以利用空间分集特性，接收阵元间距比较小，通常小于波长的一半，保证测角时不发生模糊，主要研究它的DOA估计性能。(3)阵元间距都很小的MIMO雷达。目标通常为点目标，发射阵元间距和接收阵元间距都比较小，没有空间分集，但由于发射正交信号，致使接收信号的相关性比较小。这也是这篇文章将要研究的对象。
图13给出了MIMO雷达工作原理的示意图。图1中的每个发射阵元的发射信号都被所有的接收阵元接收,反过来也就是说每个接收阵元都接收所有发射阵元的发射信号。这样通过发射阵元与接收阵元的一一配对能够产生出成倍于物理接收阵元数目或发射阵元数目的观测通道4。MIMO雷达全向发射相互正交的信号,使得多发射波形在空间无法进行波束形成,这样发射波束主瓣增益将降低到原来的1/M,同时每个子阵发射功率变为原发射总功率的1/M,在距离R处的功率密度仅为原来的1/M,考虑功率衰减与距离平方的反比关系,雷达的抗信号截获性能明显提高5。另外,由图1可以看出,MIMO雷达实际上是一种多通道雷达系统,多通道数据进行联合处理有助于提高雷达的各项性能。
1.2 MIMO雷达技术特点分析
从上个世纪90年代中期以来贝尔实验室等先后提出在无线通信系统中的基站和移动端均用多天线的方案，即对移动信道这样一个系统而言有多个信号输入和多个信号输出(MIMO系统)由于MIMO通信系统可获得空间分集增益，能显著地提高移动通信系统在衰落信道条件下的信道容量，特别对大的角度扩展信道(极端情况是2兀)，其性能改善犹为明显，理论分析表明，信道容量与收发两端天线阵元数有直接关系。寻求新的理论和技术途径以提高现代雷达的探测性能，是雷达设计者苦苦追寻的目标。现代雷达面临的任务和挑战表现在：雷达应具有远距离探测弱目标的能力，特别是探测隐身目标的能力；雷达应能实现对目标的分辨和识别，并能进行杀伤力评估；现代雷达工作环境十分恶劣，特别是有源干扰和反辐射导弹对雷达生存构成了巨大威胁，因此雷达应具有抗信号截获的能力；当然雷达还应具有大的威力范围，具有同时搜索和跟踪多目标的能力，能进行数据融合、航迹计算和威胁评估等。1314