集中式MIMO雷达较相控阵雷达的优势分析
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摘要：近年MIMO技术在通信领域获得的较大成就推动了MIMO雷达的相关研究。MIMO雷达发射正交波形获得波形分集增益，对比技术已经成熟并应用较广的相控阵雷达，在参数估计能力等方面具有较大提升。本文介绍了集中式MIMO雷达的定义及分类，分析了集中式MIMO雷达较相控阵雷达的优势，探讨了集中式MIMO雷达的应用前景。
关键词：MIMO雷达;集中式;相控阵雷达
中图分类号：TN957.51 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）07-0234-01
0 引言
雷达是通过发射电磁波照射空中目标并接收其反射回波，从而探测和定位空间目标的电子系统，雷达在现代战争中占据着重要地位。多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技术源于通信领域，是指在收发端采用多天线同时发射和接收信息，从而形成多通道传输信息来抑制信道衰落。由于通信技术和雷达技术原理的相似性，为MIMO技术应用于雷达领域奠定了基础，MIMO雷达的研究逐渐兴起，并成为雷达领域的研究热点。MIMO雷达按照布站方式不同可分为集中式MIMO雷达[1]和分布式MIMO雷达[2]，本文讨论研究的是集中式MIMO雷达。相控阵雷已经有了廣泛的应用，本文将讨论集中式MIMO雷达较相控阵雷达在多个方面的优势。
1 集中式MIMO雷达的定义及分类
MIMO雷达通过多个天线发射相互正交的波形信号，信号照射目标后反射回多个接收天线，从发射端到接收端形成了多个相互独立的信号路径，从而极大的提高了雷达探测目标的能力和参数估计的性能。
集中式MIMO雷达的阵元采用密集布阵方式，阵元间距一般不大于半波长，多个发射天线发射正交波形，照射目标后反射到接收天线，在接收天线处接收的是对应于多个发射天线发射的相互正交的混合信号，其经过匹配滤波处理后可分离出相对于每个发射天线的信号。集中式MIMO雷达阵元间距达不到非相干要求，故目标相对于发射天线或接收天线具有一致的反射特性，目标假设为空间点目标，由于发射天线发射的是正交波形信号，其在空间中形成低增益宽波束，不会形成高增益窄带波束而构成方向图。集中式MIMO雷达按照布站方式可分为两种雷达体制，一种是单基地MIMO雷达：收发天线紧密布置在同一个基地中，其有相同的波离角（DOD）和波达角（DOA）;一种是双基地MIMO雷达：发射天线和接收天线布置在广泛分离的两个基地中，收发天线在各自基地中密集布阵，其波离角和波达角不同。
相控阵雷达利用发射于密集多天线上的统一信号的相位来控制波束照射方向，从而对相关区域进行扫描搜索目标。相控阵雷达用电子扫描取代机械扫描以控制波束照射方向是其显著特点，其聚集高功率波束对目标照射也能极大的增加目标回波强度，有利于空间目标定位。
2 集中式MIMO雷达较相控阵雷达的优势
2.1 具有更高的空间分辨率
集中式MIMO雷达发射相互正交的信号，在接收端对混合信号匹配滤波分离出不同信号路径的信号，实际形成了收发天线乘数的独立信道，产生的虚拟阵元数目比实际阵元数目大的多。集中式MIMO雷达能够利用接收和发射两方面的阵列孔径，其形成的虚拟阵列孔径数目既是发射和接收孔径的总和，其增大了虚拟阵列孔径。而相控阵雷达则不能形成虚拟阵元和增加虚拟阵列孔径，正是由于集中式MIMO雷达拥有上述能力，故极大的增加了其空间分辨率。
2.2 具有更好的参数估计性能
集中式MIMO雷达因发射正交波形而获得了波形分集增益，其在接收端分离出不同信道的信号，相当于产生总共有发射天线数目的信道，这极大的增加了包含于接收信号中的有效信息，提高了目标角度分辨力和的参数识别性能，其分辨目标的数目是类似结构相控阵雷达的多倍，其倍数为发射阵元数目。
2.3 具有更强的抗杂波干扰能力
在雷达实战环境中，目标信号反射至地面或者海面，再次反射后的回波信号可能经过多次散射形成多径杂波，对目标回波信号形成不同程度的干扰。当处于特定情况时，多径杂波经过散射后反射到达接收天线的方向可能与空间目标反射回的信号的波达方向相同，雷达需要利用发射自适应波束形成技术来抵消杂波干扰效应。相控阵雷达不能有效实现发射自适应波束形成技术，而我们可以在集中式MIMO雷达体制中应用收发综合自适应波束形成技术，能够实现高效的降低散射多径杂波的负面影响[3]。
2.4 具有更强的战场生存能力
由于相控阵雷达使用电子扫描方式聚集高功率波束照射空域，有很大的功率值和孔径增益，这就使相控阵雷达面临极大的截获概率，受高功率电子干扰的风险增加，并易受反辐射导弹的针对性攻击。集中式MIMO雷达全向发射正交信号，不会形成聚焦波束，而是在全空域形成低功率宽波束，这就极大的降低了战场中被敌方雷达截获的概率。双基地MIMO雷达可将发射基地布置在我后方阵地，接收基地布置在前方阵地，这就增加了雷达的战场生存能力。
3 集中式MIMO雷达的应用前景
集中式MIMO雷达可以看作相控阵雷达的升级，因为相较于传统雷达有更多的相似性，其研究较为广泛和深入，研发和装备成本也较低，这些优点都有利于其推广和应用。集中式MIMO雷达不仅可装备在陆基雷达领域，也可应用于机载和舰载雷达的装备中。双基地集中式MIMO雷达体制更是可以获得更广阔应用，可在后方阵地配备大型发射阵，而把接收阵布置在前方阵地中的战车、飞机或舰载雷达中，也可发挥MIMO雷达的诸多性能优势。随着相控阵雷达的广泛装备，雷达领域的研究将扩展到更新的领域，而MIMO雷达作为新的热点必将拥有更加广阔的发展前景。
4 结语
集中式MIMO雷达密集布置收发阵元，发射正交波形且在接收端经过匹配滤波器分离出不同信号，其形成的波形分集增益是其显著特点，特殊的雷达体制使其扩大了虚拟阵元和虚拟阵列孔径，形成的多通道增加了接收信号的有用信息容量，正交波形构成低增益宽波束，并且易于自适应波束形成技术的应用，这些集中式MIMO雷达的体制优点使其在空间分辨率、参数估计性能、抗砸波干扰和战场生存能力上，较传统的相控阵雷达有较大的优势。
参考文献
[1] Li J， Stoica P. MIMO radar with collocated antennas [J]. IEEE Signal Processing Magazine，2007，24（5）：106-114.
[2] Haimovich A M， Blum R S， Cimini L J. MIMO radar with widely separated antennas [J].IEEE Signal Processing Magazine，2008，25（1）：116-129.
[3] Chen C Y， Vaidyanathan P P. MIMO radar space-time adaptive processing using prolate spheroidal wave functions [J]. IEEE Transactions on Signal Processing，2008，56（2）：623-625.
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