MIMO雷达信号处理

第1章绪论

 1.1雷达技术的发展与挑战

 19世纪末期，意大利人马可尼利用风筝作为天线，发射信号跨越布里斯托尔海湾的实验，开创了人类利用无线电信号的先河。除了通信，无线电信号的另一个重要应用——雷达，也由此开始发展。自1904年德国侯斯美尔研制出船用防撞雷达，雷达的发展已有一百多年的历史。20世纪40年代，美国辐射实验室相继研制出了第一部实用的防空火控雷达和第一部实用的舰载警戒雷达。紧接着，美国的贝尔实验室研发的著名线性调频（linear frequency modulation，LFM）脉冲雷达问世。到了50年代，雷达理论发展到了一个高潮，产生了匹配滤波、统计检测、模糊图和动目标显示等理论，并应用到多普勒雷达等雷达上。从60年代开始，由于数字处理技术的逐渐成熟和超大规模集成电路的应用，雷达技术的发展再上一个新台阶。相控阵雷达就诞生在这个时期，其具有同时搜索、跟踪多个目标的能力，具备抗干扰能力强、反应速度快、可靠性高等特点。20世纪末期，毫米波雷达、气象雷达研制成功，标志着雷达技术进入成熟时期。

 21世纪以来，随着电子干扰、隐身技术、反辐射技术、低空突防技术等的全面发展，雷达的工作环境日益恶劣，雷达技术的发展面临巨大的挑战。这些挑战促进了各种新体制雷达及先进雷达技术的产生，多输入多输出（multiple-input multiple-output，MIMO）雷达［1，2］作为其中的典型代表，成为现代雷达发展的重要方向。

 1.2MIMO雷达基本概念及分类

 在MIMO雷达概念被提出之前，为探测隐身目标，法国国家航天局于20世纪70年代末设计了综合脉冲孔径雷达(synthetic impluse and aperture radar，SIAR)［3］。该雷达为多阵元结构，采用了阵元间距较远的稀疏布阵方式。各个阵元通过发射在频率上互不重叠的波形，并在接收端通过数字波束形成技术［4，5］合成接收波束，从而覆盖感兴趣的空域范围。发射波束是低增益的宽波束，因此SIAR具有抗截获的优点。实际上，SIAR具备MIMO雷达的一些特点，可视为MIMO雷达的雏形。

 MIMO起初是出现在控制系统中的一个概念，指一个系统利用多个输入和多个输出的优势提高参数估计性能［6，7］。后来，MIMO技术被应用于通信领域［8，9］，通过在基站和移动终端布置多个天线实现信号的多发多收，可以在不增加带宽和功率的情况下，成倍提高通信系统的有效性和可靠性，成为第四代及以后移动通信系统的核心技术，获得了极大成功。在MIMO通信系统中，天线的布置通常要不小于半波长以保证天线间的不相关性，例如，基站的天线间距为5～10个波长，移动终端的天线间距最小为半个波长，这是实现空间复用和空间分集的基本要求。空间复用是指利用系统各天线发送不同信息以实现传输速率倍增。空间分集则是指通过系统各天线发送相同或相关信息以提高误码率性能。空间复用和空间分集本身存在矛盾，实际系统中一般采用空时编码技术来达到空间复用与空间分集性能的良好折中。

 随着SIAR体制的出现以及MIMO技术在通信领域的成功应用，MIMO技术被引入雷达领域，MIMO雷达应运而生［10，11］。一经提出，MIMO雷达便引起了国内外学者的广泛关注。相比其他体制雷达，多发多收的结构给MIMO雷达带来了分集优势［12，13］：发射端发射正交波形，接收端接收回波后，通过匹配滤波获得多个通道的信号，实现波形分集；发射端从不同方向照射目标，能够有效克服目标的雷达横截面积(radar cross-section，RCS)闪烁，提高检测性能，实现空间分集。注意，这里的空间分集和MIMO通信中的空间分集含义略有不同。MIMO雷达的研究不仅具有重要的理论价值，也具有非常重要的工程意义，它以系统复杂度为代价增加了获取的信息量，能够更全面地搜集目标信息，是突破现有雷达性能瓶颈的希望。

 MIMO雷达是一种发射(或接收)多个在时间、空间或者是波形、极化方面相互独立的信号，使用多个阵元探测目标特性，同时使用多个阵元接收回波信号的雷达阵列。它既是对相控阵雷达理论的发展，也是通信MIMO理论在雷达领域的应用和创新。

 在不同的分类标准下，MIMO雷达有多种分类方式。最常见的分类方式是以雷达阵元间距为依据，将MIMO雷达分为两类：一类是集中式MIMO雷达，也称为相干MIMO雷达；另一类是分布式MIMO雷达，也称为非相干MIMO雷达。

 在集中式MIMO雷达的收发阵列中，各个阵元相距较近，一般满足传统阵列雷达的半波长约束，目标对所有收发阵元呈现的反射特性均相同。集中式MIMO雷达可以收发分置，也可以收发同置。与传统相控阵雷达相比，集中式MIMO雷达能够获得更大的虚拟孔径，其等效波束宽度更窄，因此具有更好的角度分辨力；能够同时形成多个等效波束，具有更优的多目标处理能力；能够在相同阵元数条件下获得更大的系统自由度，具有更加灵活的相干处理工作模式。

 分布式MIMO雷达具有很宽间隔的发射天线和接收天线，各发射天线发射相互正交的信号，且所有信道都满足独立条件，其特点是利用目标RCS角度扩展来实现空间分集增益，提高检测性能。分布式MIMO雷达一般收发分置。对于收发阵列，单通道回波很小的概率较大，若增加阵元数，从多角度去观测目标，则所有通道回波均很小的概率就可以得到控制。利用这一思想对抗目标随机衰落的分布式MIMO雷达的主要优点有：一是可以利用空间分集增益提高检测性能和角度估计性能；二是可以提高动目标检测性能；三是可以增加同时处理的目标个数。

 相对于集中式MIMO雷达，分布式MIMO雷达的思想更加接近于通信MIMO，对传统雷达概念有着更大程度的突破，更加新颖，包含的潜力更大。在对弱目标，尤其是隐身目标的检测方面，分布式MIMO雷达具有传统相控阵雷达以及集中式MIMO雷达所没有的优势。但是，它与传统雷达系统的差异较大，很多研究没有现成理论可用，因此在理论和实际应用上都有更长的路要走。

 此外，MIMO雷达还有其他的分类方式，例如，按照收发是否同置，MIMO雷达可以分为单基地MIMO雷达和双/多基地MIMO雷达。

 1.3国内外研究现状

 MIMO雷达是通信理论在雷达界的一次创新性应用，国内外学者先后在MIMO雷达领域开展了很多研究工作。国际上，在国际声学、语音与信号处理（International Conference on Acoustics，Speech and Signal Processing，ICASSP）会议、Asilomar会议、雷达会议等著名的学术会议上，都设有MIMO雷达的专题讨论会；一些高水平期刊上也涌现了大量关于MIMO雷达的文章，例如，在IEEE Signal Processing Magazine上发表的“MIMO radar with colocated antennas”［1］和“MIMO radar with widely separated antennas”［2］是关于集中式MIMO雷达和分布式MIMO雷达的经典综述型文章，分别详细介绍了两种雷达体制的系统结构，并对目前的研究现状做了总结。在国外，美国麻省理工学院、佛罗里达大学、加利福尼亚大学、华盛顿大学、新泽西技术研究所，加拿大的阿尔伯塔大学等多所院校和机构都致力于MIMO雷达的研究。在国内，MIMO雷达也受到了越来越广泛的关注，近年来，国家自然科学基金委员会先后资助了多个MIMO雷达相关课题。国内研究MIMO雷达的主要单位有西安电子科技大学、清华大学、国防科技大学、电子科技大学、中国电子科技集团公司第十四研究所、中国电子科技集团公司第三十八研究所等。经过近二十年的发展，MIMO雷达正逐渐由理论研究走向工程实践，下面分别从系统研究和试验样机两方面介绍其研究现状。

 1.3.1MIMO雷达系统研究现状

 根据MIMO雷达阵元间距的相对位置及信号处理方式的不同，下面分别介绍集中式MIMO雷达、分布式MIMO雷达、混合式MIMO雷达等的研究现状［14］。

 1.集中式MIMO雷达

 集中式MIMO雷达的概念最早由Bliss等［10］在第37届Asilomar会议上提出，作者从理论上分析了集中式MIMO雷达在宽波束形成和杂波抑制等方面的优势。

 集中式MIMO雷达系统结构示意图如图1-1所示。其可视为传统相控阵雷达的扩展，发射端发射正交波形信号或部分相关信号，在远场条件下，收发阵元到达目标的视线近似看作平行，每个信道的目标RCS一致，利用每个信道的信息提高空间分辨力。雷达的工作模式包括搜索和跟踪。在搜索模式下，集中式MIMO雷达通过发射正交波形信号在空域形成全向方向图，保证所有区域都能被照射到；在跟踪模式下，当搜索到感兴趣的目标时，可发射部分相关波形信号，形成具有一定指向性的波束对目标进行持续跟踪。当发射波形完全相关时，集中式MIMO雷达可等效于相控阵雷达。文献［10］提出了虚拟阵元的概念，虚拟阵元的存在扩大了阵列的虚拟孔径，增大了系统自由度。目前，学者主要围绕集中式MIMO雷达在增加目标可辨识数［15］、合成发射方向图［16-18］、改善目标角度估计精度［19-21］以及提高系统检测性能［22，23］等方面展开研究。集中式MIMO雷达硬件基础与传统相控阵雷达类似，因此其实现较分布式MIMO雷达更为容易。

 图1-1集中式MIMO雷达系统结构示意图

 2.分布式MIMO雷达

 分布式MIMO雷达系统结构示意图如图1-2所示［11］。其收发端阵元间距很大，相当于从不同的视角来观测目标，是组网/多基地雷达的发展。此时，目标并不能视为点目标，各个观测路径是独立的，通过联合处理回波数据，增大可获取的信息量。接收端接收的回波信号不相关，不能直接进行相干处理，进行空间分集处理后，有助于克服目标的RCS闪烁，提高系统的检测性能。目前，学者主要围绕分布式MIMO雷达，在提高目标检测性能［24-27］、改善目标定位精度［28，29］以及雷达资源分配［30-33］等方面展开研究。实际中，分布式MIMO雷达在时间同步、相位同步、信道的有效估计上依然存在一定难度［34］。

 图1-2分布式MIMO雷达系统结构示意图

 3.混合式MIMO雷达

 分布式MIMO雷达虽然能够克服目标RCS闪烁现象，但无法进行接收波束形成；集中式MIMO雷达可以进行接收波束形成，但无法获得空间分集特性。若将这两种阵元结构相结合，就可以实现优势互补。因此，有学者提出带有集中式子阵的分布式MIMO雷达概念［35］，也称为混合式MIMO雷达。混合式MIMO雷达系统结构示意图如图1-3所示，可以看出其由多个距离较远的分布式站点组成，每个站点都包含一个集中式子阵，混合了上述两种MIMO雷达阵元的结构。目前，国内外对混合式MIMO雷达展开研究的文献还相对较少。

 图1-3混合式MIMO雷达系统结构示意图

 4.其他新体制MIMO雷达

 近年来，结合其他技术的新体制MIMO雷达同样引起了研究人员的广泛关注，如相控阵MIMO雷达［36-38］、压缩感知（compressive sensing，CS）MIMO雷达［39-41］、频控阵（frequency diverse array，FDA）MIMO雷达［42-44］、正交频分复用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）MIMO雷达［45-47］等。

 1.3.2MIMO雷达试验样机

 随着MIMO雷达理论研究的不断深入，国内外众多高校和研究机构开始研制MIMO雷达试验样机，推动了MIMO雷达从理论走向实践。

 2003年，美国林肯实验室研究L波段和X波段分别构造相参MIMO雷达实验系统，并做了相关实验，验证了窄带MIMO雷达和宽带MIMO雷达性能，其中X波段与普通相控阵雷达相比，