【文章內(nèi)容簡介】 的布陣方式不再局限于圓陣結(jié)構(gòu)，收發(fā)天線陣分布更加靈活，可以為線陣、圓陣、面陣。 MIMO 雷達的搭載平臺多種多樣，可以是地基、機載或星載等平臺。 MIMO雷達尚處 于理論研究和實驗驗證階段，還沒有一個嚴(yán)格統(tǒng)一的定義表述。然而， MIMO雷達基本概念已被大家所認(rèn)同，其形成可以認(rèn)為是在 2020年和 2020年的一些學(xué)術(shù)會議上，會議設(shè)專題討論 MIMO 雷達的相關(guān)理論問題。根據(jù)會議文獻中的 MIMO雷達概念模型 (如圖 122)，可以總結(jié)出 MIMO雷達概念的基本構(gòu)成（如圖 123）。 圖 122 概念模型 4 圖 123 基本構(gòu)成 MIMO雷達的天線陣元間距沒有特別限定，可以是密集或稀疏布陣，發(fā)射正交信號波形，廣域覆蓋空間范圍。多基地雷達中，一般自發(fā)自收，不產(chǎn)生虛擬陣元， 各個雷達大都獨立工作，各自信號處理完成之后再送中央處理器做數(shù)據(jù)融合，而 MIMO雷達強調(diào)將所有原始回波數(shù)據(jù)進行聯(lián)合信號處理。 分布式 MIMO雷達的研究主要以 Fishler、 Haimovich、 Blum為代表。分布式 MIMO雷達利用目標(biāo) RCS起伏來改善雷達的檢測性能。觀測復(fù)雜起伏目標(biāo)時，雷達觀測角度的細微變化可能會導(dǎo)致目標(biāo) RCS數(shù)十分貝的變化，分布式 MIMO雷達利用大間距天線陣從多個角度獲得相互獨立的多路目標(biāo)回波。由于全部回波基本不會同時出現(xiàn)深度衰落，從而通過非相干積累來克服目標(biāo)的 RCS起伏，提高雷達檢測性 能以及對隱身目標(biāo)的探測能力。分布式天線布陣提高了 MIMO雷達的抗摧毀能力。為得到統(tǒng)計獨立的目標(biāo)回波，可將發(fā)射天線陣、接收天線陣，或收發(fā)天線陣同時在空間分布式配置來對目標(biāo)形成空間分集。根據(jù)收發(fā)分集的組合形式，分布式 MIMO雷達分為三種：發(fā)射分集 MIMO雷達、接收分集 MIMO雷達、收發(fā)全分集 MIMO雷達 (又稱統(tǒng)計 MIMO雷達 )。 緊湊式 MIMO雷達的研究以林肯實驗室和 Li、 Stoica 等為主。其發(fā)射陣列和接收陣列構(gòu)型與分布式 MIMO 雷達不同，陣元間距較小，收發(fā)陣列和目標(biāo)通常滿足遠場關(guān)系。由于緊湊式 MIMO雷 達的多通道回波數(shù)據(jù)不是統(tǒng)計獨立的，可聯(lián)合進行相干信號處理，從而完成數(shù)字波束形成、參數(shù)估計等功能。緊湊式 MIMO雷達與傳統(tǒng)雷達相比有許多優(yōu)勢 綜上所述， MIMO雷達概念的實現(xiàn)形式如圖 124所示， 圖中將 SIAR和泛探雷達作為MIMO雷達的兩種特例。 5 圖 124 MIMO雷達概念的實現(xiàn)形式 6 第二章 陣列成像算法概述 167。 MIMO 雷達基本原理 引言 MIMO 雷達通過多個發(fā)射天線同時發(fā)射多種相互正交波形，并采用多個接收天線接收所有波形的回波。 MIMO雷達采用這種波形分集技術(shù)，從而具 有傳統(tǒng)相控陣?yán)走_所不具備的優(yōu)點，包括突破陣元間距半波長限制、較高的系統(tǒng)自由度以及空間全覆蓋特性等。 正交波形是 MIMO 雷達的一種基本波形，下面以正交多相碼信號為例，介紹 MIMO雷達的基本原理及特性，并引入 MIMO 雷達信號模型。 雷達成像技術(shù)大體上可以分成三大類：實孔徑成像技術(shù)、合成孔徑成像技術(shù)和二者兼有的成像技術(shù)。其中，實孔徑成像技術(shù)主要用于實孔徑 (陣列 )成像雷達， Steinberg等做過深入的研究。合成孔徑成像技術(shù)的典型代表是 SAR 和 ISAR。二者兼有的成像技術(shù)包括ARTINO(Airborne Radar for Threedimensional Imaging and Nadir Observation)。 ARTINO 是一種三維成像雷達，分別利用平行于雷達平臺航向的合成孔徑、垂直于航向的線性陣列及下視的寬帶信號所提供的三個方向分辨率來獲得目標(biāo)的空間分布信息。 MIMO 雷達通過實際的多個發(fā)射天線和接收天線來探測目標(biāo)，通過單次“快拍”發(fā)射就能得到攜帶目標(biāo)信息的多路觀測回波數(shù)據(jù)。 MIMO 雷達成像劃歸于二者兼有的成像技術(shù)。 MIMO雷達的虛擬陣元和實際物理陣元是同時空間并存的，不同于時間積累所得的合成 孔徑。因此， MIMO雷達的等效陣列孔徑可以理解為空間意義上的合成孔徑。在 MIMO雷達成像過程中，等效陣列和虛擬陣元將直接影響成像性能。 在成像方法方面， Xu等進行 MIMO雷達成像時借助自適應(yīng)超分辨譜估計方法，利用 GLRT來確定目標(biāo)數(shù)目，分別研究了 Capon、 APES等自適應(yīng)技術(shù)存在和不存在陣列校正誤差情況下的分辨性能和抗干擾能力。 Roberts等用 IAA(Iterative Adaptive Approach，一種基于加權(quán)最小二乘的迭代自適應(yīng)方法 )來完成 MIMO雷達成像，并分別給出了 IAA方法的RangeDoppler圖像和 AngleRange圖像，通過與 DAS(DelayAndSum)獲得的圖像作對比，證明 IAA方法具有高分辨能力，同時還證明了 MIMO 陣列的多普勒和角度分辨能力都比SIMO(SingleInput and MultipleOutput)陣列高。 Xu和 Roberts 等本質(zhì)上都是在探討MIMO陣列信號處理問題，用于實現(xiàn) MIMO雷達的多目標(biāo)分辨與定位。 在成像模型和成像算法及陣列設(shè)計等方面， Fortuny Guasch和 Martinez vazquez討論了 UWB MIMO雷達 陣列小空域監(jiān)視問題，利用反向投影 (BP)算法對理想點目標(biāo)進行成像， 7 然后推導(dǎo)得到 MIMO 陣列的方向圖，比較一發(fā)一收、單發(fā)多收和多發(fā)多收三種陣列形式的聚焦圖像和方向圖，證明 MIMO陣列有優(yōu)良成像性能。韓興斌等研究了基于 MIMO雷達體制的分布式多通道雷達成像問題，對多通道雷達的空間譜域支撐區(qū)分布情況進行了描述，對MIMO雷達的成像性能和陣元位置誤差進行了分析，針對簡單的收發(fā)陣列共直線排布構(gòu)建了MIMO雷達二維成像模型，分別利用寬帶發(fā)射信號和 MIMO陣列實現(xiàn)了運動目標(biāo)的單次“快拍”成像。 Ma和 Wang分別研究 MIMO雷達收發(fā)垂直布陣窄帶成像。 MIMO雷達的收發(fā)陣列同為線陣且相互垂直，根據(jù)空間卷積原理，雙線陣可以形成等效面陣，進而利用窄帶發(fā)射信號實現(xiàn)二維實時成像，大大減少了物理天線陣元數(shù)目。在窄帶 MIMO雷達成像基礎(chǔ)上，段廣青等建立了一種寬帶 MIMO雷達三維成像模型，并給出了相應(yīng)的三維成像算法。 167。 MIMO 雷達基本模型 虛擬陣列 虛擬陣列是 MIMO雷達的一個基本概念，假設(shè)一個由 NT個發(fā)射陣元和 NR個接收陣元組成的陣列。 NT個發(fā)射陣元發(fā)射的波形相互正交，接收陣元采用匹配濾波器組分離接收，因而總共 形成 NTNR個“發(fā)射 接收”通道。 MIMO 雷達的陣列結(jié)構(gòu)及接收機結(jié)構(gòu)框圖分別如圖221和圖 222所示。 圖 21 MIMO雷達陣列結(jié)構(gòu) 8 圖 22 MIMO雷達接收機結(jié)構(gòu) 設(shè) NT， NR分別為發(fā)射陣列和接收陣列的陣元位置矢量： () () 其中，（ i=1,2， … ， NT）為第 i個發(fā)射陣元在直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。（ j=1,2， … ， NR）為第 j個接收陣元在直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)， []T表示轉(zhuǎn)置運算。假設(shè)一個點目標(biāo)位于遠場處，由第 i個發(fā)射陣元發(fā)射的信號，到達遠場目標(biāo)，反射到第 j個接收陣元 ，經(jīng)過的相對時延為（相對于發(fā)射陣列和接收陣列的參考點）： （ ） 其中，（）是發(fā)射相對時延，（）是接收相對時延，因此，（）又稱為雙程相對時延。個“發(fā)射 接收”通道的雙程相對時延構(gòu)成一個長度為的時延矢量： D= () 定義 MIMO雷達的陣列導(dǎo)向矢量為： v= () 其中，是發(fā)射信號載頻。定義發(fā)射陣列導(dǎo)向矢量和接收陣列導(dǎo)向矢量分別為： = () = () 則： v= () 由式（ ）知，由發(fā)射陣列和接收陣列的陣元位置卷積構(gòu)成的大孔徑陣列稱為虛擬陣列。圖 23列出了幾種典型的 MIMO虛擬陣列結(jié)構(gòu)，其中（ a）、（ b）用收發(fā)分置天線，但收發(fā)天線均分布在較小范圍內(nèi)，目標(biāo)遠場假設(shè)仍然成立，以便實現(xiàn)多天線間的相參處理。這種集中的收發(fā)分置結(jié)構(gòu)稱為“偽單基”結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)設(shè)計的靈活性和自由度。（ c）是“單基”結(jié)構(gòu)，相同設(shè)備量條件下，“單基”結(jié)構(gòu)虛擬陣列的基線短，空間分辨率低，但是其方向圖旁瓣（天線方向圖上最大輻射波束旁邊的小波束）電平較 低。 9 圖 23 MIMO虛擬陣列 發(fā)射波形 正交發(fā)射波形關(guān)系到 MIMO雷達能否實現(xiàn)通道分離，并對虛擬陣列的角度分辨能力、目標(biāo)的距離和多普勒分辨能力都有一定的影響。正交信號的中心頻率不一定是相同的。中心頻率相同的條件下，常用的有二相碼、多相碼和頻率編碼。其中，多相碼信號有更好的自相關(guān)特性和多普勒頻率特性，且信號結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不易檢測和分析，另外，多相碼的低成本脈沖壓縮處理技術(shù)已經(jīng)成為可能。因此，正交多相碼信號是一種較好的選擇。 假設(shè)多相碼正交信號集中含有個信號，每個信號有 L個子脈沖，每個子脈 沖的相移數(shù)為 P，每個子脈沖寬度為 T，則正交多相碼信號集可表示為： （ ） （ ） （ ） 信號的自相關(guān)函數(shù)為： 10 （ ） 為了提高發(fā)射信號的距離分辨率，理想的自相關(guān)函數(shù)滿足，當(dāng) k=0時， R（ ,k）最大，其他情況自相關(guān)函數(shù)接近于零。 信號的互相關(guān)函數(shù)為： （ ） 為提高發(fā)射信號的正交性，應(yīng)當(dāng)是互相關(guān)函數(shù)最小。 相位碼的設(shè)計原則是使自相關(guān)函數(shù)的旁瓣峰值和互相關(guān)函數(shù)的峰值最小。 信號模型 設(shè)第 i個發(fā)射陣元的發(fā)射信號為，為基帶波形，為載頻。發(fā)射信號經(jīng)過遠場點目標(biāo)反射到 第 j個接收陣元上的信號為： （ ） 167。 算法綜述 MIMO雷達成像由于其復(fù)雜的多收發(fā)陣列結(jié)構(gòu)而很難直接應(yīng)用現(xiàn)有的許多常用成像算法，因而需要探尋合適的 MIMO 雷達成像算法。首先，將傳統(tǒng)反向投影（ BP）算法推廣應(yīng)用于 MIMO雷達成像，得到 MIMO雷達標(biāo)準(zhǔn) BP 算法，不受 MIMO雷達陣列形式的限制。 而后， 基于時延曲線校正原理，提出了一種能夠大大降低標(biāo)準(zhǔn) BP 算法運算量的MIMO 雷達 TCCBP 算法。綜合傳統(tǒng)的距離多普勒 (RD)算法和 BP 算法而提出的 MIMO雷達 RDBP 算法，在保證成像質(zhì) 量的同時，相比標(biāo)準(zhǔn) BP 算法和 TCCBP 算法提高了成像處理的運算效率。 結(jié)合 MIMO 雷達陣列設(shè)計，在 SAR RM算法的基礎(chǔ)上，從空間譜域角度對 MIMO雷達成像算法進行了研究。首先，通過分析雷達成像與空間譜域填充的關(guān)系，提出了基于譜域填充的 MIMO雷達 SFRM算法。而后根據(jù)相位中心近似原理，進行了 MIMO雷達天線陣列設(shè)計，進而基于均勻等效線陣處理提出了 MIMO 雷達 UELARM 算法。最后，結(jié)合收發(fā)正交線陣設(shè)計，提出了一種能夠有效實現(xiàn)窄帶 MIMO 雷達二維“方位 方位”向成像 11 的 MIMO雷達 OLARM 算法。 BP 算法和 RM 算法都是為了重建目標(biāo)圖像，而不能解決成像系統(tǒng)固有的高旁瓣和分辨率受限的問題。為了提高 MIMO 雷達的成像質(zhì)量，進一步對 MIMO 雷達成像旁瓣抑制和超分辨算法進行研究。首先基于空間頻譜支撐區(qū)變形原理，提出了 MIMO 雷達成像旁瓣抑制算法 — SRSR 算法，它不損失分辨率且簡單、有效。在 SRSR 算法基礎(chǔ)