MIMO雷达技术杂谈

MIMO雷达的基础知识

MIMO并不是一个新概念，它是为通信应用而开发的，它为减轻多径衰落环境下的信号传输提供极大的优势。MIMO表示多个接收多个发射的意思。MIMO雷达概念仅是指多个辐射站和接收站。除了多收多发的结构外，MIMO的思想来源于“分集“的概念。根据分集技术，各接收天线元应接收不同的信息，进而提高系统的整体性能，如链路质量、雷达检测概率或定位精度。
从处理的角度来看，MIMO雷达允许在接收时通过数字波束形成（DBF），与先出现的发射相控阵波束形成概念一致，MIMO概念实现了“数字化”雷达。
与单收多发（SIMO）雷达相反，MIMO雷达允许在每个天线单元上同时发射不同的波形，天线方向图不是指向唯一的方向上，它由每个单独发射机发射空时编码组成。
一旦接收机捕获到这些波形，就可以通过一组匹配滤波器（MF）提取出编码信息，每个MF都适合于特定的波形。所提取的每个分量包含一个传输路径的信息，将收集到的信息一起处理，就可恢复整个发射方向角的信号。
•统计MIMO雷达：发射阵元（和接收阵列元件）间隔较远，为每个天线提供独立的电磁散射响应。利用发射和接收的分集可以提高角度检测性能。
•相干MIMO雷达：发射阵元（和接收阵元）间隔较近，因此目标位于发射（和接收）天线阵的远场。假设目标的电磁散射响应对于每个天线对子是相同的，包括一些小的延迟特性。当使用优化的稀疏阵列时，谱估计性能会得到显著提高。

 MIMO系统的性能可以通过由发射和接收天线位置的卷积构造的虚拟矩阵来表征，如图所示。因此，可以使用构造的稀疏矩阵填充（插补）虚拟的阵元。原则上，在天线单元数相同的情况下，这种虚拟阵列可以比等效传统系统的阵列大得多。因此，与等效的实体阵列天线相比，MIMO系统将以较小的代价具有更好的空间分辨率。

MIMO雷达发射的信号通常是正交波形，通过接收端的相参处理，可以实现N*N倍的信号处理增益。由于发射的是正交信号，各个阵元信号是全向的，在空间互不干扰，无法像相控阵雷达那样在空间进行功率合成，因此主瓣增益将降低1/N，要达到和相控阵雷达相同的探测距离，需要进行长时间积累。
常用的MIMO雷达正交信号有正交相位编码信号、频分线性调频信号、离散频率编码信号，多载波高斯脉冲串信号等。也就是信号要在时间上互相关为零或者在频率上能分隔开。
同地MIMO雷达系统具有许多优点，例如出色的杂波干扰抑制能力，改进识别性能，以及增强发射波束图设计的灵活性。这些优点可以提高目标检测性能和角估计精度。

 •SIMO雷达——发射笔形波束：为连续探测感兴趣的方位，采用聚焦波束进行电子扫描。这种波束通常由发射机线性相位变换法则获得。数字接收模式聚焦在即时发射波束相同的方位上。–角分辨力：最佳，因为发射波束很窄。–空域覆盖：受限，因为只有一小部分空间同时被照射。在严酷情况下，例如存在要跟踪许多目标，这可能是一个严重的问题。–信噪比：最佳，因为传输的能量集中在有限的扇形空间。

•SIMO雷达——发射宽波束：发射波束在仰角上加宽。这种波束图可以通过发射机相位的平方定律得到。用于接收的数字笔尖形图可以在探测扇区的不同方向上形成一系列平行波束图。–角分辨力：降级，因为发射波束比前一个配置更宽。–空域覆盖：增强，因为波束允许较长的照射时间。它还导致更长时间的目标照射时间，从而提高多普勒频率分辨力。–信噪比：降级，因为能量在大角度扇区中传输，从而导致比之前的配置的性能下降，此外，增加了对来自副瓣方向干扰的敏感性。
•MIMO雷达：从雷达功能的角度来看，一切似乎都归功于通过编码聚焦波束同时探测所有方位。–角分辨力：最佳，因为我们在接收时通过DBF恢复了类似SIMO发射聚焦波束。也可以根据不同的雷达功能需求（如监视、目标跟踪和特性化、抗干扰）来形成特定波束，从而实现MIMO的灵活性。这就是MIMO雷达随处可见的本领。–空域覆盖：最佳，因为在脉冲传输过程中会照亮大角度范围（各向同性辐射）。–信噪比：降级，因为能量在较大的角扇区中传输，与SIMO聚焦波束相比性能下降。
与传统的波束宽度相比，MIMO雷达的波束宽度要宽3到4倍，同时获得较好的主瓣和旁瓣（例如波束宽度、纹波、旁瓣电平）特性。宽波束对感兴趣的动目标是非常重要的，例如对于突发目标（跃升的直升机、潜望镜），或淹没在地杂波中的慢速小目标，需要更长的照明时间来获得多普勒分离。
作为MIMO雷达系统可能应用的例子，我们可引用更好的空间分辨率成像雷达的工作进行举例，例如穿透墙壁的探测和地面场景的环境二维成像。
在机载地面监视背景下，我们可以将空时自适应处理（STAP）技术扩展到无需密集全天线阵情况下而提供更好的天线方向性的多收多发空时自适应处理（MIMO-STAP）技术。它在不使用全密集天线的情况下提供了更高的天线方向性。在海上超视距监视的背景下，高频表面波雷达（HFSWR）中采用MIMO配置可以克服传统雷达在方位指向性和带宽的限制。

MIMO雷达工作原理

MIMO架构的起源
MIMO表示多个发射多个接收的意思。MIMO雷达概念是指多个辐射站（点）和接收站（点）。除了多收多发的结构外，MIMO的思想来源于“分集“的概念。根据分集技术，各接收天线元应接收不同的信息，进而提高系统的整体性能，如（通信中）链路质量、雷达检测概率或定位精度。
从处理的角度来看，MIMO雷达允许在接收时通过数字波束形成（DBF）形成“事后”传输图。在某种程度上，与先前出现的发射相控阵波束形成概念一致，MIMO概念实现了“数字化”雷达。
MIMO并不是一个新概念，它是为通信应用而开发的，它为减轻多径衰落环境下的信号传输提供极大的优势。MIMO在雷达领域应用是最近才出现的。雷达的第一次引入MIMO体系架构也可能是80年代末，当时并不叫MIMO，是巴黎萨克雷大学的国立航空研究办公室（ONERA）发明的RIA。
同时，利用两个同心圆阵列制作了一个演示系统来演示MIMO的能力。紧随其后的研究工作，例如法国汤姆森公司（现为泰勒兹公司）的（RIAS），以及类似中国用于预警监视和跟踪的雷达。
MIMO雷达概念

与单收多发（SIMO）雷达相反，MIMO雷达允许在每个天线单元上同时传输不同的波形，导致天线图没有聚焦在一个唯一的方向上。因此，它由每个单独发射机发射空时编码组成。

 上图说明了SIMO和MIMO配置之间的差异。一旦接收机捕获到这些波形，就可以通过一组匹配滤波器（MF）提取出编码信息，每个MF都适合于特定的波形。所提取的每个分量包含一个传输路径的信息。然后将收集到的信息一起处理。就可恢复整个发射方向角的信号。

两种基本的工作原理：
•统计MIMO雷达：发射阵元（和接收阵列元件）间隔较远，为每个天线提供独立的电磁散射响应。利用发射和接收的分集可以提高角度检测性能。
•相干MIMO雷达：发射阵元（和接收阵元）间隔较近，因此目标位于发射（和接收）天线阵的远场。假设目标的电磁散射响应对于每个天线对子是相同的，包括一些小的延迟特性。当使用优化的稀疏阵列时，谱估计性能会得到显著提高。

 图:MIMO虚拟阵列示意图，它是发射天线单元（此处为稀疏阵列）与接收天线单元的位置的卷积。

在某种意义上，MIMO系统的性能可以通过由发射和接收天线位置的卷积构造的虚拟矩阵来表征，如图所示。因此，可以使用构造的稀疏矩阵填充（插补）虚拟的阵元。
原则上，在天线单元数相同的情况下，这种虚拟阵列可以比等效传统系统的阵列大得多。因此，与等效的实体阵列天线相比，MIMO系统将以较小的代价具有更好的空间分辨率。

 （a）笔尖形扫描波束（b）发射宽波束（c） 发射多个同时编码波束图：雷达发射和接收波束策略

MIMO的性能优势

研究表明，同地MIMO雷达系统具有许多优点，例如出色的杂波干扰抑制能力，改进识别性能，以及增强发射波束图设计的灵活性。这些优点可以提高目标检测性能和角估计精度。需要说明的是，对三种传输配置给出性能比较：
•SIMO雷达——发射笔尖波束
为连续探测感兴趣的方位，采用聚焦波束进行电子扫描。这种波束通常由发射机线性相位变换法则获得。数字接收模式聚焦在即时发射波束相同的方位上。
–角分辨力：最佳，因为发射波束很窄。–空域覆盖：受限，因为只有一小部分空间同时被照射。在严酷情况下，例如存在要跟踪许多目标，这可能是一个严重的问题。–信噪比：最佳，因为传输的能量集中在有限的扇形空间。
•SIMO雷达——发射宽波束
发射波束在仰角上加宽。这种波束图可以通过发射机相位的平方定律得到。用于接收的数字笔尖形图可以在探测扇区的不同方向上形成一系列平行波束图。
–角分辨力：降级，因为发射波束比前一个配置更宽。–空域覆盖：增强，因为波束允许较长的照射时间。它还导致更长时间的目标照射时间，从而提高多普勒频率分辨力。–信噪比：降级，因为能量在大角度扇区中传输，从而导致比之前的配置的性能下降，此外，增加了对来自副瓣方向干扰的敏感性。
•MIMO雷达
从雷达功能的角度来看，一切似乎都归功于通过编码聚焦波束同时探测所有方位。
–角分辨力：最佳，因为我们在接收时通过DBF恢复了类似SIMO发射聚焦波束。也可以根据不同的雷达功能需求（如监视、目标跟踪和特性化、抗干扰）来形成特定波束，从而实现MIMO的灵活性。这就是MIMO雷达随处可见的本领。–空域覆盖：最佳，因为在脉冲传输过程中会照亮大角度范围（各向同性辐射）。–信噪比：降级，因为能量在较大的角扇区中传输，与SIMO聚焦波束相比性能下降。
与传统的波束宽度相比，MIMO雷达的波束宽度要宽3到4倍，同时获得较好的主瓣和旁瓣（例如波束宽度、纹波、旁瓣电平）特性。宽波束对感兴趣的动目标是非常重要的，例如对于突发目标（跃升的直升机、潜望镜），或淹没在地杂波中的慢速小目标，需要更长的照明时间来获得多普勒分离。
作为MIMO雷达系统可能应用的例子，我们可引用更好的空间分辨率成像雷达的工作进行举例，例如穿透墙壁的探测和地面场景的环境二维成像。
在机载地面监视背景下，我们可以将空时自适应处理（STAP）技术扩展到无需密集全天线阵情况下而提供更好的天线方向性的多收多发空时自适应处理（MIMO-STAP）技术。它在不使用全密集天线的情况下提供了更高的天线方向性。
在海上超视距监视的背景下，高频表面波雷达（HFSWR）中采用MIMO配置可以克服传统雷达在方位指向性和带宽的限制。

参考文献了解

https://mp.weixin.qq.com/s/HEjQJjAeumJiRR-EF_0X6A

https://mp.weixin.qq.com/s/XEKpkBwDyqmnpeBICVKSkg