MIMO雷達(dá)信號模型及處理方法研究

黃志忠

（桂林航天工業(yè)學(xué)院 廣西 桂林 541004）

1 引言

目標(biāo)的RCS大小直接影響雷達(dá)的檢測性能，由其電磁散射特性決定，與物理尺寸沒有直接的關(guān)系。在MIMO雷達(dá)的研究中，假設(shè)一個(gè)目標(biāo)由許多散射體構(gòu)成，目標(biāo)的回波信號是每個(gè)獨(dú)立散射體反射的疊加效果，彼此之間相互獨(dú)立。

MIMO雷達(dá)發(fā)射天線由許多單元組成，每個(gè)單元從不同角度或用不同頻率信號觀測目標(biāo)，在接收端可以將這些信號分離[1]。如果它們的統(tǒng)計(jì)特性彼此相互獨(dú)立，那么它們同時(shí)波動(dòng)的概率很小，將這些信號聯(lián)合處理的信噪比近似為固定值，可以得到所謂的空間或頻率分集增益。

本文首先討論了兩種MIMO雷達(dá)的信號模型及其信號處理方法，然后總結(jié)它們的特點(diǎn)和應(yīng)用優(yōu)勢，為MIMO雷達(dá)探測隱身目標(biāo)和弱小目標(biāo)方法提供理論依據(jù)。

2 信號模型

2.1 統(tǒng)計(jì)MIMO雷達(dá)信號模型

雷達(dá)的天線發(fā)射陣有M個(gè)獨(dú)立單元，接收天線陣有N個(gè)獨(dú)立單元，目標(biāo)模型矩陣表示為：

不失一般性，目標(biāo)、發(fā)射陣、接收陣如圖1所示。M個(gè)獨(dú)立信號照射到Q個(gè)散射體上，入射角度表示為，。因?yàn)槟繕?biāo)尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于探測距離，滿足信號到達(dá)目標(biāo)的角度與散射體的獨(dú)立性即與無關(guān)。發(fā)射信號到達(dá)目標(biāo)的導(dǎo)向矢量可以表示為

圖1 目標(biāo)模型

目標(biāo)回波信號以θ角入射到陣列各單元的相移矢量為

2.2 相參MIMO雷達(dá)信號模型

同上，設(shè)發(fā)射天線陣由M個(gè)獨(dú)立單元組成，接收天線由N個(gè)獨(dú)立單元組成。令為第個(gè)發(fā)射天線單元發(fā)射的信號，令θ為目標(biāo)的方位和距離信息參數(shù)，則目標(biāo)位置的基帶信號可以表示為：

其中K是由目標(biāo)反射到雷達(dá)接收機(jī)的信號個(gè)數(shù)，是這些目標(biāo)回波的復(fù)振幅相對雷達(dá)散射截面比例，是目標(biāo)位置參數(shù)，是干擾加噪聲項(xiàng)。

3 信號處理方法

3.1 統(tǒng)計(jì)MIMO雷達(dá)信號處理方法

統(tǒng)計(jì)MIMO雷達(dá)利用空間分集特性，信號處理是不進(jìn)行相參積累，利用廣義似然檢測（GLRT）目標(biāo)和估計(jì)目標(biāo)的角度[3]。因?yàn)镸IMO雷達(dá)有MN個(gè)觀測通道，所以MIMO陣列可區(qū)分的目標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)陣列。實(shí)際上，統(tǒng)計(jì)MIMO雷達(dá)發(fā)射波形空間不相關(guān)，無法形成發(fā)射波束，但是，通過在接收端分離各通道的發(fā)射信號，可以進(jìn)行脈沖的非相參積累[4]，統(tǒng)計(jì)MIMO雷達(dá)檢測器包括廣義似然比檢測器在內(nèi)有四種檢測器。

（1）廣義似然比檢測器，其處理方法是對數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行非相參處理，即通對所有接收通道的回波信號進(jìn)行聯(lián)合處理，用最大似然比（LRT）對目標(biāo)的有無進(jìn)行判斷，決策判據(jù)表示為：

（2）非相參積累檢測器，其處理方法是將分離后的M×N個(gè)通道的信號累加后與門限比較，表示為：

（3）經(jīng)過相位校正后的積累檢測器，通過預(yù)處理，收發(fā)相位進(jìn)行校正，然后相參疊加，具體表示為：

（4）獨(dú)立通道兩級門限檢測器，其處理方法是對分離的M個(gè)發(fā)射通道信號獨(dú)立進(jìn)行CFAR檢測作為一級門限檢測，然后，對各個(gè)通道同一個(gè)分辨單元的檢測結(jié)果，再進(jìn)行二進(jìn)制積累二級門限檢測。

3.2 相參MIMO雷達(dá)信號處理方法

以FMCW體制為例，N個(gè)發(fā)射通道發(fā)射正交FMCW信號，M個(gè)接收機(jī)接收到的回波信號，在中頻經(jīng)過收發(fā)同步校準(zhǔn)后，通過AD采樣后進(jìn)行M個(gè)接收通道DBF處理，然后去斜后低通濾波，分離出N個(gè)發(fā)射通道信號，每個(gè)通道進(jìn)行距離FFT處理進(jìn)行粗分辨率的距離檢測，然后進(jìn)行發(fā)射脈沖和孔徑綜合，形成發(fā)射窄波束和距離高分辨單元。最后，進(jìn)行常規(guī)的非相參積累和CFAR檢測。

4 結(jié)語

本文主要從理論上分析了MIMO雷達(dá)信號模型和信號處理方法，同時(shí)總結(jié)了其應(yīng)用優(yōu)勢。理論證明MIMO雷達(dá)如何去克服目標(biāo)RCS閃爍的問題，本文的分析假設(shè)具有一般性，能夠說明研究MIMO雷達(dá)在新領(lǐng)域的應(yīng)用，同時(shí)為MIMO雷達(dá)的發(fā)展提供一定的參考。