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摘要:MIMO雷达作为一种新概念的雷达系统正在快速地发展，目前其核心问题是要提高MIMO雷达的信号处理能力。系统地从目标方位、速度、距离估计，以及波形设计、天线阵列设计等方面对MIMO雷达信号处理作了系统的综述。介绍了当前相干MIMO雷达和统计MIMO雷达各方面信号处理的研究现状和存在的问题，并提出了进一步研究的方向。
关键词:MIMO雷达;信号处理;相干MIMO;统计MIMO;参数估计;分集;相关处理
引言：MIMO(multiple-inputmultiple-output)雷达就是有多个辐射源和多个接收站将搜集到的信息一并处理，将信号由发射到接收所经历的空间过程视为一个综合的信息通道，通过对通道的估计，得到空间目标信息的雷达。尽管SAＲ(syntheticapertureradar)一般都是采用单一发射天线和单一接收天线，但天线的位置有所转变，因此，从某种角度讲信息是在并行处理的。
一、MIMO雷达天线
MIMO雷达天线阵:MIMO雷达收发天线组成方式很多，有的收发天线用同一组天线，有的接收和发射天线在空间上是分置的;MIMO雷达有的收发天线在同一条线上，但又分为收发天线数量相等和不相等2种;有的MIMO雷达收发天线不在同一条线上;有的MIMO雷达的天线是接收和发射天线数量相同，间距相等，也有的数量不同或间距不相等。
MIMO雷达稀疏阵列:相干MIMO雷达的天线相距近，角度估计性能会得到改善，最优化的稀布天线阵列的使用会使这种改善相当可观。在一定意义上，MIMO系统的性能以发射和接收天线阵构成的虚拟阵列来体现，因此，一个有效的虚拟天线阵列可以建立在部分稀疏阵列的基础上。大体上，这种虚拟阵列会比同等的传统阵列大得多，因此，MIMO系
统会有更好的内在分辨率。
假定目标散射回波对每个天线是相同的，最多只是有微小的时间延迟，至于目标各部位回波多大的到达角度差(角距)才能保证散射回波是相互独立的，这要取决于目标的细节特征。通过将目标想定为散射阵可以实现相位响应最优化，使回波能量朝向天线。如果采取将目标的大小看作合理的定向散射阵列，那么从理论上来说就能实现散射波的不相关;相反地，如果天线角距与散射阵的波束宽度相比显得较小，那么就能进行相干处理。以空中监视雷达为例，可以很好地解释上面的分析，因为空中目标与任何其他背景是分开的，然而，对处在其他环境背景中的目标进行这样解释就没有那么清晰。
考虑阵列设计时，会权衡由空间旁瓣引起的空间模糊性和固有的空间分辨率。特别在传统天线阵列信号处理中，稀疏阵列可以形成比紧凑阵列更大的孔径，更好的角分辨率。然而，这些性能的改善却导致旁瓣水平的提高。同样地，MIMO虚拟阵列可以分为稀疏阵列、紧凑阵列和超紧凑阵列。可以通过减小虚拟阵列孔径的方法，降低MIMO旁瓣水平。
这种权衡的重要性取决于具体的应用情况，对于仰角向上的雷达来说，旁瓣不是一个主要的问题，如对空警戒雷达。然而，对于对地的监视雷达而言，背景的模糊性就是需要重点考虑的因素。
二、关键技术
2．1硬件部分
MIMO雷达信号处理半实物仿真系统的硬件采用模块化设计，基于紧凑型PCI(CPCI)架构实现，其总线规范是在PCI2．2标准基础上，针对工业及嵌入式应用对稳健性需求所做的修订。在电气特性上，CPCI与PCI完全兼容。除了原有PCI的信号之外，还增加了CPCI系统所特有的支持热插拔功能的信号及电源管理等其他信号，增强了系统的可操作性。
本系统之所以采用CPCI架构，就是考虑其技术相对成熟，且性价比高。另外，CPCI采用了工业级机械部件以及高性能连接器技术，可靠性高，为复杂环境下的应用提供了保障。
系统硬件部分主要由上位机、显示终端、CPCI标准机箱与背板以及多个单板组成。单板主要有主控板(MC)、信号产生板、多通道上混频板(Ux)、多通道下混频板(Dx)、数据跨接板、时钟控制板、信号处理板等。
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CPCI机箱内部的主要部件包括:
(1)背板:指机箱内部各单板间通过CPCI总线进行通信的无源底板，各单板插接在背板上的插槽，实现CPCI硬件连接。
(2)单板:系统中的所有单板全部位于CPCI机箱内部。单板分为前插板和后I/O板，各单板分别插在背板的不同槽位，通过与端口匹配的接插件实现和背板的连接。
2．2软件部分
硬件是整个系统的基础，与之对应，软件主要实现整个系统的仿真和计算功能，包括目标航迹的产生和解算、MIMO雷达系统阵列设计和发射信号的产生、收发信道的模拟、多通道回波信号的产生与联合处理、目标检测、参数估计等过程。
收发阵列设计模块、发射波形产生模块、航迹产生与解算模块等三个模块是MIMO雷达信道模拟模块的前提和基础。正常工作时，主控程序模块首先调用收发阵列设计模块，根据MIMO雷达数字模型设计收发阵列，包括收发天线数量、阵元间距、天线增益等;然后，调用发射波形产生模块，产生正交的发射信号，并将其对应到各个发射天线上，这样就得到了模拟的MIMO雷达发射信号;最后，调用航迹产生模块，根据需求设计典型目标的航迹，并依据收发阵列的坐标位置调用解算模块完成目标的相对坐标转换。前三个模块的输出都作为信道模拟模块的输入，后者模拟MIMO雷达的空间收发信道，通过调用目标特性数据库，得到目标在每个坐标点上相对于每个接收天线的ＲCS，再引入可能存在的信道杂波和噪声，经过算法处理后即可得到每个接收天线收到的目标回波信号，进而还可根据需求对每路回波信号进行正交信号解调、匹配滤波、脉冲压缩处理等。
2．3系统软件的实现以及与硬件的联系
收发阵列设计模块、发射波形产生模块、航迹产生模块、输出模块等运行于上位机，提供人机交互界面。主控程序模块运行于主控板，并和其他模块通信，控制系统状态。另外，主控板还运行目标航迹解算模块，完成航迹解算和坐标转换，当然该模块也可移植到上位
机中运行，根据实时性需求灵活决定。信道模拟模块运行于信号产生板，信号处理模块运行于信号处理板，上、下混频程序模块分别运行于八通道中频上、下混频板。以上软件模块主要基于C语言编程实现。
三、工作模式
半实物仿真系统的工作模式主要有以下两种:
1)纯数字工作模式。
在该模式下，系统不需要多通道中频上、下混频板，可以节约成本。半实物仿真系统的纯数字工作模式信号产生板将仿真得到的多通道雷达回波数字信号交给信号处理板，后者直接进行多通道联合信号处理，实现目标检测和参数估计，并将结果反馈给主控板，进而传递给上位机。
2)模数混合工作模式。
在该模式下，信号产生板将仿真得到多通道雷达回波数字信号交给信号处理板，后者先不做任何处理，直接通过LVDS高速接口转给多通道上混频板，上混频板实现插值和数字上变频;然后通过D/A变换得到八路140MHz模拟中频信号，该信号实际上就是MIMO雷达每个接收天线接收到的模拟目标回波信号，可以用示波器观察和测试。接下来可将上混频板输出的八路140MHz模拟中频信号直接馈入多通道下混频板，完成A/D变换、数字下变频和抽取等操作，再得到多通道雷达回波数字基带信号交给信号处理板，后者对其进行联合处理，实现目标检测和参数估计。
结束语：具有宽分布传感器的MIMO雷达用于解决高性能是将来一个非常有前途的概念。但是，在将它从概念到现实的过程中仍有诸多理论研究和工程问题有待解决。工程挑战包括:传感器发射的集中同步，与处理中心的同步通信，传感器之间的高精度相位同步(在ns量级)。理论研究的挑战包括更好地理解双站和多站ＲCS现象，MIMO雷达的目标跟踪，在机载平台和其他平台的MIMO雷达运用等。
参考文献：
[1]张俭.基于L型阵的MIMO非因果发射波束形成技术研究[D].西安电子科技大学,2013.
[2]舒其建.非均匀杂波背景下机载MIMO雷达空时自适应处理[D].电子科技大学,2013.
[3]朱炫滋.基于智能优化算法的MIMO雷达布阵研究[D].中南大学,2013.
[4]廖羽宇.统计MIMO雷达检测理论研究[D].电子科技大学,2012.
[5]陈浩文.MIMO雷达阵列目标参数估计与系统设计研究[D].国防科学技术大学,2012.
论文作者:崔扬
论文发表刊物:《电力设备》2017年第25期
论文发表时间:2017/12/23
标签：天线论文; 阵列论文; 模块论文; 回波论文; 目标论文; 信号论文; 收发论文; 《电力设备》2017年第25期论文;