什么是MIMO雷達(dá)，MIMO雷達(dá)的性能優(yōu)勢(shì)

MIMO架構(gòu)的起源

MIMO表示多個(gè)發(fā)射多個(gè)接收的意思。MIMO雷達(dá)概念是指多個(gè)輻射站（點(diǎn)）和接收站（點(diǎn)）。除了多收多發(fā)的結(jié)構(gòu)外，MIMO的思想來(lái)源于“分集“的概念。根據(jù)分集技術(shù)，各接收天線元應(yīng)接收不同的信息，進(jìn)而提高系統(tǒng)的整體性能，如（通信中）鏈路質(zhì)量、雷達(dá)檢測(cè)概率或定位精度。

從處理的角度來(lái)看，MIMO雷達(dá)允許在接收時(shí)通過(guò)數(shù)字波束形成（DBF）形成“事后”傳輸圖。在某種程度上，與先前出現(xiàn)的發(fā)射相控陣波束形成概念一致，MIMO概念實(shí)現(xiàn)了“數(shù)字化”雷達(dá)。

MIMO并不是一個(gè)新概念，它是為通信應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的，它為減輕多徑衰落環(huán)境下的信號(hào)傳輸提供極大的優(yōu)勢(shì)。MIMO在雷達(dá)領(lǐng)域應(yīng)用是最近才出現(xiàn)的。雷達(dá)的第一次引入MIMO體系架構(gòu)也可能是80年代末，當(dāng)時(shí)并不叫MIMO，是巴黎薩克雷大學(xué)的國(guó)立航空研究辦公室（ONERA）發(fā)明的RIA。

同時(shí)，利用兩個(gè)同心圓陣列制作了一個(gè)演示系統(tǒng)來(lái)演示MIMO的能力。緊隨其后的研究工作，例如法國(guó)湯姆森公司（現(xiàn)為泰勒茲公司）的（RIAS），以及類似中國(guó)用于預(yù)警監(jiān)視和跟蹤的雷達(dá)。

MIMO雷達(dá)概念

與單收多發(fā)（SIMO）雷達(dá)相反，MIMO雷達(dá)允許在每個(gè)天線單元上同時(shí)傳輸不同的波形，導(dǎo)致天線圖沒(méi)有聚焦在一個(gè)唯一的方向上。因此，它由每個(gè)單獨(dú)發(fā)射機(jī)發(fā)射空時(shí)編碼組成。

上圖說(shuō)明了SIMO和MIMO配置之間的差異。一旦接收機(jī)捕獲到這些波形，就可以通過(guò)一組匹配濾波器（MF）提取出編碼信息，每個(gè)MF都適合于特定的波形。所提取的每個(gè)分量包含一個(gè)傳輸路徑的信息。然后將收集到的信息一起處理。就可恢復(fù)整個(gè)發(fā)射方向角的信號(hào)。

兩種基本的工作原理：

?統(tǒng)計(jì)MIMO雷達(dá)：發(fā)射陣元（和接收陣列元件）間隔較遠(yuǎn)，為每個(gè)天線提供獨(dú)立的電磁散射響應(yīng)。利用發(fā)射和接收的分集可以提高角度檢測(cè)性能。

?相干MIMO雷達(dá)：發(fā)射陣元（和接收陣元）間隔較近，因此目標(biāo)位于發(fā)射（和接收）天線陣的遠(yuǎn)場(chǎng)。假設(shè)目標(biāo)的電磁散射響應(yīng)對(duì)于每個(gè)天線對(duì)子是相同的，包括一些小的延遲特性。當(dāng)使用優(yōu)化的稀疏陣列時(shí)，譜估計(jì)性能會(huì)得到顯著提高。

圖：MIMO虛擬陣列示意圖，它是發(fā)射天線單元（此處為稀疏陣列）與接收天線單元的位置的卷積。

在某種意義上，MIMO系統(tǒng)的性能可以通過(guò)由發(fā)射和接收天線位置的卷積構(gòu)造的虛擬矩陣來(lái)表征，如圖所示。因此，可以使用構(gòu)造的稀疏矩陣填充（插補(bǔ)）虛擬的陣元。

原則上，在天線單元數(shù)相同的情況下，這種虛擬陣列可以比等效傳統(tǒng)系統(tǒng)的陣列大得多。因此，與等效的實(shí)體陣列天線相比，MIMO系統(tǒng)將以較小的代價(jià)具有更好的空間分辨率。

（a）筆尖形掃描波束（b）發(fā)射寬波束（c） 發(fā)射多個(gè)同時(shí)編碼波束圖：雷達(dá)發(fā)射和接收波束策略

MIMO的性能優(yōu)勢(shì)

研究表明，同地MIMO雷達(dá)系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如出色的雜波干擾抑制能力，改進(jìn)識(shí)別性能，以及增強(qiáng)發(fā)射波束圖設(shè)計(jì)的靈活性。這些優(yōu)點(diǎn)可以提高目標(biāo)檢測(cè)性能和角估計(jì)精度。需要說(shuō)明的是，對(duì)三種傳輸配置給出性能比較：

SIMO雷達(dá)——發(fā)射筆尖波束

為連續(xù)探測(cè)感興趣的方位，采用聚焦波束進(jìn)行電子掃描。這種波束通常由發(fā)射機(jī)線性相位變換法則獲得。數(shù)字接收模式聚焦在即時(shí)發(fā)射波束相同的方位上。

–角分辨力：最佳，因?yàn)榘l(fā)射波束很窄。–空域覆蓋：受限，因?yàn)橹挥幸恍〔糠挚臻g同時(shí)被照射。在嚴(yán)酷情況下，例如存在要跟蹤許多目標(biāo)，這可能是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。–信噪比：最佳，因?yàn)閭鬏數(shù)哪芰考性谟邢薜纳刃慰臻g。

?SIMO雷達(dá)——發(fā)射寬波束

發(fā)射波束在仰角上加寬。這種波束圖可以通過(guò)發(fā)射機(jī)相位的平方定律得到。用于接收的數(shù)字筆尖形圖可以在探測(cè)扇區(qū)的不同方向上形成一系列平行波束圖。

–角分辨力：降級(jí)，因?yàn)榘l(fā)射波束比前一個(gè)配置更寬。–空域覆蓋：增強(qiáng)，因?yàn)椴ㄊ试S較長(zhǎng)的照射時(shí)間。它還導(dǎo)致更長(zhǎng)時(shí)間的目標(biāo)照射時(shí)間，從而提高多普勒頻率分辨力。–信噪比：降級(jí)，因?yàn)槟芰吭诖蠼嵌壬葏^(qū)中傳輸，從而導(dǎo)致比之前的配置的性能下降，此外，增加了對(duì)來(lái)自副瓣方向干擾的敏感性。

MIMO雷達(dá)

從雷達(dá)功能的角度來(lái)看，一切似乎都?xì)w功于通過(guò)編碼聚焦波束同時(shí)探測(cè)所有方位。

–角分辨力：最佳，因?yàn)槲覀冊(cè)诮邮諘r(shí)通過(guò)DBF恢復(fù)了類似SIMO發(fā)射聚焦波束。也可以根據(jù)不同的雷達(dá)功能需求（如監(jiān)視、目標(biāo)跟蹤和特性化、抗干擾）來(lái)形成特定波束，從而實(shí)現(xiàn)MIMO的靈活性。這就是MIMO雷達(dá)隨處可見(jiàn)的本領(lǐng)。–空域覆蓋：最佳，因?yàn)樵诿}沖傳輸過(guò)程中會(huì)照亮大角度范圍（各向同性輻射）。–信噪比：降級(jí)，因?yàn)槟芰吭谳^大的角扇區(qū)中傳輸，與SIMO聚焦波束相比性能下降。

與傳統(tǒng)的波束寬度相比，MIMO雷達(dá)的波束寬度要寬3到4倍，同時(shí)獲得較好的主瓣和旁瓣（例如波束寬度、紋波、旁瓣電平）特性。寬波束對(duì)感興趣的動(dòng)目標(biāo)是非常重要的，例如對(duì)于突發(fā)目標(biāo)（躍升的直升機(jī)、潛望鏡），或淹沒(méi)在地雜波中的慢速小目標(biāo)，需要更長(zhǎng)的照明時(shí)間來(lái)獲得多普勒分離。

作為MIMO雷達(dá)系統(tǒng)可能應(yīng)用的例子，我們可引用更好的空間分辨率成像雷達(dá)的工作進(jìn)行舉例，例如穿透墻壁的探測(cè)和地面場(chǎng)景的環(huán)境二維成像。

在機(jī)載地面監(jiān)視背景下，我們可以將空時(shí)自適應(yīng)處理（STAP）技術(shù)擴(kuò)展到無(wú)需密集全天線陣情況下而提供更好的天線方向性的多收多發(fā)空時(shí)自適應(yīng)處理（MIMO-STAP）技術(shù)。它在不使用全密集天線的情況下提供了更高的天線方向性。

在海上超視距監(jiān)視的背景下，高頻表面波雷達(dá)（HFSWR）中采用MIMO配置可以克服傳統(tǒng)雷達(dá)在方位指向性和帶寬的限制。
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