基于MIMO技術(shù)的山體滑坡雷達(dá)*

蔣留兵，楊　濤，車　俐，白云浩

（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西　桂林　541004）

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基于MIMO技術(shù)的山體滑坡雷達(dá)*

蔣留兵，楊濤，車?yán)?，白云?/p>

（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西桂林541004）

摘要：現(xiàn)有山體滑坡雷達(dá)是軌道式的，這樣就需要精確控制雷達(dá)的運(yùn)動(dòng)來獲得高方位向分辨率，因此，硬件設(shè)備要求極高。利用多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)通過分時(shí)發(fā)射和接收信號(hào)來獲取高方位向分辨率，可以免去雷達(dá)運(yùn)動(dòng)，從而簡(jiǎn)化了雷達(dá)設(shè)備和降低雷達(dá)成本。此外，結(jié)合步進(jìn)頻連續(xù)波技術(shù)可以使山體滑坡雷達(dá)保持高距離向分辨率的同時(shí)進(jìn)一步降低對(duì)硬件的要求，更易于工程實(shí)現(xiàn)，成本更低。通過MATLAB仿真初步驗(yàn)證了該方案的可行性。

關(guān)鍵詞：MIMO技術(shù)，步進(jìn)頻連續(xù)波技術(shù)，山體滑坡雷達(dá)

0　引言

山體滑坡是非常危險(xiǎn)的地質(zhì)災(zāi)害。如果沒有采取有效措施，它將會(huì)帶來巨大損失。雷達(dá)受環(huán)境因素影響小，具備全天候監(jiān)測(cè)能力，同時(shí)雷達(dá)還可以進(jìn)行無接觸式的監(jiān)測(cè)，可以充分保障監(jiān)測(cè)人員的安全。正是雷達(dá)具備這些優(yōu)點(diǎn)，近年來，這種用于監(jiān)測(cè)山體滑坡的雷達(dá)裝置成為人們研究的熱點(diǎn)，鑒于它的具體運(yùn)用環(huán)境稱它為山體滑坡雷達(dá)。山體滑坡雷達(dá)的本質(zhì)是合成孔徑雷達(dá)，它用干涉原理來監(jiān)測(cè)微小形變，具有高精度、高分辨率的監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)［1］。典型的山體滑坡雷達(dá)有歐洲委員會(huì)聯(lián)合研究中心研制的LISA（Linear SAR）［2］和意大利IDS公司生產(chǎn)的商用山體滑坡雷達(dá)—微變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Image by Interferometric Survey，IBIS）［3］。這些雷達(dá)系統(tǒng)具有較好實(shí)際運(yùn)用價(jià)值，具有較高監(jiān)測(cè)能力。但它們均是依靠雷達(dá)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)來獲得高方位向分辨率。這樣需要精確控制雷達(dá)的運(yùn)動(dòng)，以避免運(yùn)動(dòng)誤差帶來不必要的監(jiān)測(cè)誤差。這樣一來不但設(shè)備體積龐大復(fù)雜，而且存在一個(gè)影響雷達(dá)監(jiān)測(cè)精度的不利因素。這些因素造成現(xiàn)有山體滑坡雷達(dá)的成本很高，不利于市場(chǎng)化。多發(fā)多收（MIMO）技術(shù)逐漸被運(yùn)用于雷達(dá)上，兩者的結(jié)合構(gòu)成一種新型雷達(dá)體制。通過多個(gè)天線發(fā)射和多個(gè)天線接收來獲得遠(yuǎn)多于實(shí)際天線數(shù)目的等效觀測(cè)通道［4］，從而可以避免雷達(dá)通過運(yùn)動(dòng)的方式獲得高方位向分辨率，這樣既可以簡(jiǎn)化雷達(dá)硬件設(shè)備，又可以避免因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)誤差而帶來不必要的監(jiān)測(cè)誤差。步進(jìn)頻連續(xù)波具有瞬時(shí)帶寬小的特點(diǎn)，MIMO體制的山體滑坡雷達(dá)采用步進(jìn)頻連續(xù)波技術(shù)可以進(jìn)一步降低雷達(dá)對(duì)設(shè)備硬件的要求?？傮w來講，本文是MIMO技術(shù)與步進(jìn)頻連續(xù)波技術(shù)相結(jié)合運(yùn)用于山體滑坡雷達(dá)的一個(gè)初步研究。

1　 MIMO技術(shù)

MIMO技術(shù)是指在發(fā)射端和接收端均采用多個(gè)天線，信號(hào)通過發(fā)射端和接收端的多個(gè)天線發(fā)送和接收［5］。MIMO技術(shù)首先是運(yùn)用在通信方面，通過多個(gè)信道來解決多徑問題。而MIMO運(yùn)用在合成孔徑雷達(dá)上，同樣是利用MIMO技術(shù)中多個(gè)發(fā)射和接收天線間形成的多個(gè)獨(dú)立的通道。如圖1所示。

圖1 MIMO雷達(dá)天線收發(fā)示意圖

圖1中t1、t2和t3分別表示3個(gè)發(fā)射天線，r1、r2和r3分別表示3個(gè)接收天線。圖1中3×3陣列MIMO雷達(dá)可以形成9個(gè)獨(dú)立的通道。為了保證每個(gè)觀測(cè)通道相互獨(dú)立互不干擾，有兩種方式：①發(fā)射信號(hào)具有相互正交性，滿足如下數(shù)學(xué)關(guān)系式（1）：

其中Si（t）、Sj（t）分別是不同天線發(fā)射的信號(hào)，T表示一個(gè)脈沖周期；②發(fā)射天線和接收天線進(jìn)行分時(shí)發(fā)射和接收［6］。第2種方案較第1種方案省去了發(fā)射信號(hào)之間的正交性，同時(shí)也省去了接收天線端的匹配濾波。本文采用第2種方案。因?yàn)榈?種方案需要發(fā)射信號(hào)波形具有正交性和接收端需要對(duì)應(yīng)匹配濾波，使得系統(tǒng)復(fù)雜性提高，而且隨著所需合成孔徑增大，天線數(shù)目越來越多，接收端每根天線需配備的匹配濾波器數(shù)目隨之增加，這樣一來就增加了設(shè)備復(fù)雜性和成本。

2　步進(jìn)頻連續(xù)波技術(shù)

步進(jìn)頻連續(xù)波技術(shù)是通過發(fā)射一系列頻率步進(jìn)的單頻脈沖在時(shí)域合成一個(gè)窄脈沖來取得距離向的高分辨率。例如發(fā)射多個(gè)頻率步進(jìn)的連續(xù)的三角波脈沖，它們的和可以看成是頻域矩形脈沖的傅立葉級(jí)數(shù)。而頻域是矩形的脈沖變換到時(shí)域可以形成一個(gè)Sa函數(shù)信號(hào)，即時(shí)域合成一個(gè)窄脈沖，斜距不同的目標(biāo)，窄脈沖出現(xiàn)位置不一樣，從而在距離向上分離出不同目標(biāo)。

可以將一個(gè)很寬的頻帶均勻的分割成N贊個(gè)頻點(diǎn)，然后通過N贊個(gè)單頻點(diǎn)脈沖信號(hào)依次輻射出去。接收端依次接收這些脈沖，混頻后對(duì)這一組脈沖進(jìn)行IFFT（傅立葉逆變換）變換，從而可以在時(shí)域上形成一個(gè)窄脈沖。設(shè)T為脈沖持續(xù)時(shí)間，其等于脈沖重復(fù)周期（PRT）Tr，△f為頻率步進(jìn)間隔，f0為起始頻率，信號(hào)傳播路徑所造成的時(shí)延為τ。混頻后回波信號(hào)表示為（t），對(duì)其進(jìn)行IFFT變換得到時(shí)域脈沖h（l）［7］，rect（t）為矩形函數(shù)，具體計(jì)算如下：

對(duì)式（2）取模，得到式（3）。

由式（3）得到綜合后脈沖峰值出現(xiàn)在l取下列值處：

3　現(xiàn)有山體滑坡雷達(dá)系統(tǒng)

現(xiàn)有的山體滑坡雷達(dá)系統(tǒng)主要由軌道控制系統(tǒng)單元、天線、收發(fā)系統(tǒng)單元和數(shù)字處理機(jī)單元組成［5］，如圖2所示：

圖2現(xiàn)有山體滑坡雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)

由軌道控制系統(tǒng)單元發(fā)出控制信號(hào)控制雷達(dá)沿軌道運(yùn)動(dòng)，收發(fā)系統(tǒng)單元負(fù)責(zé)脈沖的發(fā)射和回波的采集，最后回波信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)字處理機(jī)單元進(jìn)行后續(xù)信號(hào)處理。

4　山體滑坡雷達(dá)系統(tǒng)方案

4.1山體滑坡雷達(dá)系統(tǒng)方案簡(jiǎn)述

本文所提山體滑坡雷達(dá)系統(tǒng)主要是創(chuàng)新性地將MIMO技術(shù)和步進(jìn)頻連續(xù)波技術(shù)運(yùn)用到雷達(dá)上。假設(shè)MIMO雷達(dá)具有M個(gè)發(fā)射天線和N個(gè)接收天線，工作帶寬為B，頻率步進(jìn)值為△f，每組發(fā)射脈沖子脈沖數(shù)為Q，脈沖發(fā)射重復(fù)周期（PRT）為Tr，其等于脈沖持續(xù)時(shí)間T。因?yàn)槊總€(gè)收發(fā)天線均可以獨(dú)立控制，所以可以將發(fā)射天線和接收天線線性排布，發(fā)射天線間隔為N，接收天線間隔［9-10］。通過分時(shí)發(fā)射和接收的方法獲得MN個(gè)獨(dú)立互不干擾的觀測(cè)通道。雷達(dá)系統(tǒng)的整體框架如圖3所示。

圖3本文山體滑坡雷達(dá)系統(tǒng)整體框架

具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

①首先由信號(hào)產(chǎn)生單元產(chǎn)生基帶信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)制單元將基帶信號(hào)調(diào)制到發(fā)射頻段，然后經(jīng)過射頻前端放大單元使得發(fā)射信號(hào)具備一定的功率。

②信號(hào)發(fā)射和接收在天線分時(shí)控制單元的控制之下進(jìn)行，每個(gè)發(fā)射天線發(fā)射N組脈沖，M個(gè)天線在天線分時(shí)控制單元的控制下分時(shí)依次發(fā)射，每個(gè)發(fā)射天線發(fā)射的N組脈沖在天線分時(shí)控制單元的控制下依次由N個(gè)接收天線分時(shí)接收，每個(gè)接收天線接收其中一組脈沖。M個(gè)天線發(fā)射完畢即完成一次目標(biāo)掃描。

③接收信號(hào)經(jīng)過低噪聲放大單元后，送入正交解調(diào)單元，以發(fā)射信號(hào)為參考信號(hào)進(jìn)行正交解調(diào)。解調(diào)后的信號(hào)送入信號(hào)處理單元進(jìn)行成像處理。

4.2山體滑坡雷達(dá)系統(tǒng)方案數(shù)學(xué)建模

4.2.1山體滑坡雷達(dá)系統(tǒng)方案回波數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)建模

如上節(jié)討論，雷達(dá)有M個(gè)發(fā)射天線和N個(gè)接收天線，假設(shè)第m個(gè)發(fā)射天線輻射出去的信號(hào)為Sm（t）。

式（6）中，wm為第m個(gè)天線的增益，Q表示每組脈沖的子脈沖數(shù)，N表示脈沖組數(shù)。則可以由式（6）推出M個(gè)發(fā)射天線發(fā)射信號(hào)的總和S（t）表示如下：

為了更加直白明了地說明問題，數(shù)學(xué)建模的時(shí)候僅討論單目標(biāo)的情形，且目標(biāo)為中心散射模型，如圖1所示。首先建立直角坐標(biāo)系，以發(fā)射和接收天線所組成的直線為X軸，水平垂直X軸的方向?yàn)閅軸。以第1個(gè)發(fā)射天線所在位置為坐標(biāo)原點(diǎn)。假設(shè)目標(biāo)的坐標(biāo)為（X0，Y0），則目標(biāo)到第m個(gè)發(fā)射天線的距離為，到k個(gè)接收天線的距離為Rkr。

發(fā)射信號(hào)照射目標(biāo)后，目標(biāo)反射回波到達(dá)天線接收后回波信號(hào)模型Sr（t）如下所示：

式（12）中第1個(gè)指數(shù)項(xiàng)為信號(hào)載頻相移，其與方位向分辨率有關(guān)，第2個(gè)指數(shù)項(xiàng)是距離向目標(biāo)時(shí)延，與其距離向分辨率有關(guān)。

4.2.2成像處理

上節(jié)得到信號(hào)的回波數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)模型后，采取相關(guān)成像算法對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后得到目標(biāo)的二維像。對(duì)回波信號(hào)作IFFT變換就可以實(shí)現(xiàn)距離向的壓縮。距離壓縮后的回波信號(hào)為hr（l）。

由于傳統(tǒng)合成孔徑成像算法大都適用于單站均勻空間采樣數(shù)據(jù)，不容易處理多收發(fā)天線陣列結(jié)構(gòu)的回波數(shù)據(jù)［8］，所以本文采用標(biāo)準(zhǔn)反向投影（BP）算法成像。將包含目標(biāo)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分成合適的網(wǎng)格，計(jì)算出每一網(wǎng)格點(diǎn)上的時(shí)延，根據(jù)時(shí)延對(duì)式（13）進(jìn)行時(shí)延補(bǔ)償后，逐點(diǎn)相干疊加得到目標(biāo)點(diǎn)的二維像。

5　山體滑坡雷達(dá)系統(tǒng)方案MATLAB仿真

在仿真之前先給出現(xiàn)有山體滑坡雷達(dá)和本文山體滑坡雷達(dá)的主要仿真參數(shù)，如表1所示。

表1雷達(dá)主要仿真參數(shù)

假設(shè)目標(biāo)是中心散射模型，散射系數(shù)均視為1。目標(biāo)位置參數(shù)（X0，Y0）=（1.5 m，25 m）。根據(jù)第4節(jié)數(shù)學(xué)理論模型進(jìn)行MATLAB仿真驗(yàn)證，起始頻率f0=15 GHz，帶寬B=300 MHz，頻率步進(jìn)間隔△f=0.15 MHz［11］，每組脈沖子脈沖個(gè)數(shù)Q=2 001，脈沖重復(fù)周期（PRT）Tr=2 us等于脈沖持續(xù)時(shí)間T，脈沖采樣頻率Fs=B。發(fā)射天線數(shù)M=22，接收天線數(shù)N=22，天線布局如4.1節(jié)所述，MATLAB仿真成像如圖4（a）所示。根據(jù)表1中現(xiàn)有山體滑坡雷達(dá)系統(tǒng)的參數(shù)，以同樣的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景用MATLAB仿真出它的目標(biāo)二維成像，如圖4（b）所示。

圖4單點(diǎn)目標(biāo)成像MATLAB仿真圖

多目標(biāo)成像。雷達(dá)參數(shù)如上所述，散射系數(shù)均視為1，現(xiàn)目標(biāo)位置參數(shù)為：（X1，Y1）=（1.5 m，25 m）；（X2，Y2）=（1.5 m，25.9 m）；（X3，Y3）=（1.5 m，27 m）；（X4，Y4）=（1.5 m，27.9 m）；（X5，Y5）=（2.0 m，25 m）；（X6，Y6）=（2.0 m，25.9 m）；（X7，Y7）=（2.0 m，27 m）；（X8，Y8）=（2.0 m，27.9 m）；（X9，Y9）=（2.4 m，25 m）；（X10，Y10）=（2.4 m，25.9 m）；（X11，Y11）=（2.4 m，27 m）；（X12，Y12）=（2.4 m，27.9 m）。本文山體滑坡雷達(dá)系統(tǒng)MATLAB仿真成像如圖5（a）所示，現(xiàn)有山體滑坡雷達(dá)系統(tǒng)MATLAB仿真成像如圖5（b）所示。

圖5多點(diǎn)目標(biāo)成像MATLAB仿真圖

從圖4和圖5可以看出，現(xiàn)有山體滑坡雷達(dá)系統(tǒng)與本文山體滑坡雷達(dá)系統(tǒng)仿真性能相當(dāng)，說明本文所提山體滑坡雷達(dá)系統(tǒng)方案理論上得到驗(yàn)證。

6　結(jié)論

目前山體滑坡雷達(dá)設(shè)備復(fù)雜硬件要求高，設(shè)備成本高，不利于山體滑坡雷達(dá)的市場(chǎng)化推廣。本文在保持雷達(dá)高分辨率的前提下，以降低設(shè)備復(fù)雜度和對(duì)硬件的要求為目的，結(jié)合MIMO技術(shù)和步進(jìn)頻連續(xù)波技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有山體滑坡雷達(dá)的改進(jìn)進(jìn)行了初步研究。通過MATLAB的仿真驗(yàn)證一定程度上證明了本文所提方案的可行性，可以為現(xiàn)有山體滑坡雷達(dá)的改進(jìn)提供幫助和參考。

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Research of Landslide Monitoring Radar Based on MIMO Technology

JIANG Liu-bing，YANG Tao，CHE Li，BAI Yun-hao
（School of Information and Communication Engineering，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China）

Abstract：The existing landslide monitoring radar is based on a rail，so the motion of the radar should be precisely controlled to obtain high azimuth resolution.It causes that the stability and accuracy of current landslide monitoring radar is highly depended on complex and expensive equipment.The high azimuth resolution also can be obtained through Multiple-Input Multiple-Output（MIMO）technology by time-sharing to transmit and receive signals.By this way landslide monitoring radar doesn't require to move，so it is helpful to simplify the radar equipment and reduce its cost.What's more，combining stepped frequency continuous wave technology，landslide monitoring radar can be more easier for project implementation without sacrificing high range resolution.The feasibility of new landslide monitoring radar has been validated by MATLAB simulation.

Key words：MIMO technology，stepping frequency continuous wave technology，landslides monitoring radar

作者簡(jiǎn)介：蔣留兵（1973-），男，江蘇泰興人，碩士，研究員。研究方向：智能信息處理。

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（61162007）；廣西自然科學(xué)基金（2013GXNSFAA019323）；廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（桂科攻14122006-6）

收稿日期：2014-12-21

文章編號(hào)：1002-0640（2016）02-0148-05

中圖分類號(hào)：TN958

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

修回日期：2015-02-18