一种新的MIMO雷达动目标检测方法

李国强

摘 要：针对MIMO雷达的动目标显示（MTI）特性，通过与传统单延时对消方法对比，采用双延时对消和变T技术处理盲速的方法进行动目标检测。最后对比仿真实验结果证明，在动目标检测中使用双延迟线对消和变T技术处理盲速的方法，能够更好地提取杂波中的运动目标。

关键词：MIMO雷达 动目标显示（MTI） 延时对消

中图分类号：S763 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）04（a）-0018-02

多输入多输出（MIMO）雷达是近几年发展起来的一种新体制雷达。通常将MIMO雷达分为两大类：一类是共置MIMO雷达，这类雷达系统的发射阵元间距很小，发射机从同一个角度照射目标，通过波形分集提高雷达系统性能；另一类是统计MIMO雷达，这类雷达发射阵元间距分散开，利用多个不同方位的雷达发射信号，较好地克服了目标RCS的角闪烁所带来的性能损失，获得较大的空间分集增益，能够根据多普勒频移解决慢目标的检测问题，而且能够克服带宽的限制，实现更高精度的目标定位[1]。由于雷达天线接收到的信号除了感兴趣的目标回波以外，还包括接收机的噪声、以及各种杂波。

因此，当杂波和运动目标回波同时被接收时，会使目标的观测显得困难。一方面，如果目标回波信号混叠在强干扰杂波中，不可能完成自动门限信号检测。即使目标回波信号与干扰杂波处在不同的距离、方位和仰角上，杂波背景也会影响杂波邻近目标回波信号的分辨；另一方面，如果雷达终端采用自动检测和数据处理系统，则由于大量杂波的存在，将引起终端过载或不必要地增加系统的容量和复杂性。因此，无论从抗干扰或改善雷达工作质量的观点来看，选择运动目标回波而抑制杂波背景很重要。可以从速度的差别上来区分运动目标和杂波。由于运动速度不同而引起回波信号频率产生的多普勒频移不相等，这就可以从频率上区分不同速度目标的回波[2]。因此，本文将讨论后一种类型的MIMO雷达中MTI问题。

1 目标多普勒频移及杂波功率谱

MIMO雷达在发射端共有M个以较大距离分布的发射基地，同时发射M个相互正交的信号，接收端共有N个接收基地，且分布距离也较大。在每个接收端，发射机利用信号的正交性分离来自不同发射的回波，这样在每个接收端形成了M个独立的信号通道，整个系统就形成了MN个独立的信号通道，且每个信号通道相当于一部等效的双基地雷达[3]。假如发射端发射的M个信号的波长λ相同，脉冲重复频率相等，那么第k（k=1，2，…，MN）个通道（或第k部等效雷达）的多普勒频移为：

（1）

式中，为第k部等效雷达的双基地角，为第k部等效雷达角平分线与X轴的夹角。对杂波而言，除孤立的建筑物等可认为是固定点目标外，大部分杂波均属于分布杂波且包含内部运动，当天线不扫描时，固定杂波的功率谱是位于

位置上的离散谱线。当天线扫描时，由于杂波内部的运动是杂乱无章、无方向性的，所以每部等效雷达的杂波谱的展宽可认为是一致的，即每部等效雷达的杂波功率谱用高斯函数表示为：

式中，是杂波的平均功率；为杂波的平均多普勒频率；为杂波功率谱的标准偏差。与杂波速度的标准偏差的关系为：

（3）

式中的值只与杂波内部起伏运动的程度有关，其量纲和速度的量纲相同。

2 MIMO雷达MTI基本原理

MTI（运动目标显示）的本质含义：基于回波多谱勒信息的提取而区分为运动目标和固定目标。当固定目标、地杂波与运动目标处于同一距离单元时，前者的回波通常比较强，以至于运动目标的回波被“淹没”其中，故必须设法区分二者。因固定目标回波中的多谱勒频率为零，慢速运动的杂波中所含的多谱勒频移也集中在零频附近，它们的回波经相位检波后，输出信号的相位将不随时间变化或随时间作缓慢变化，反映在幅度上则为其幅度不随时间变化或随时间作缓慢变化。相反，运动目标回波经相位检波后，因其相位随时间变化较大，反映在幅度上则为其幅度随时间变化较快。因此，若将同一距离单元在相邻重复周期内的相检输出作相减运算，则固定目标回波将被完全对消，慢速杂波也将得到很大程度衰减，只有运动目标得以保留。显然这样便可将固定目标、慢速杂波与运动目标区别开来。这就是MTI对消的基本原理[4]。

2.1 单延时对消

单延时对消也称一次对消，一次对消器是通过时域滤波来抑制零频的静止杂波，MIMO雷达MTI处理是在各通道单独完成的，待每个通道各自做完对消处理，再综合各通道的能量。

2.2 双延时对消

单延时线对消器的幅频响应在零频附近抑制杂波的零值区宽度可能达不到要求，一次延时对消器的输出再加上另一个延时对消器如图2，在其抑制杂波的凹口就能加宽，此结构称为双延时对消，或简称二次对消。

2.3 变T技术

当时，对消器输出为零，即当时，运动目标在对消器输出端无信号输出。这里当即时，对应的固定目标无输出，这是所希望的。与此同时径向速度为零的动目标回波也会被抑制，这是不可避免的。但在时，具有这些多谱勒频率（）的目标，在对消器输出端也没有输出，因此称对应这些多谱勒频率的目标径向运动速度为盲速，记为，即：

（10）

可见盲速是目标在一个重复周期的位移恰好等于（或其整数倍）的速度。这时相邻周期重复周期的回波初相位差。是（或其整数倍），所以从MTI雷达相位检波器输出的视频脉冲幅度相等，故对消后[5]。盲速问题的解决可以把第一盲速提高到某个范围之外，即改变脉冲重复周期。由于延迟线的延迟时间必须与前一次发射的脉冲间隔相等，当采用参差变周时，可采用有中间抽头输出的（即多种延迟时间输出的）延迟线。本文采用一段短的延迟线，将接收回波（参差变周的）的时间加以调整，而成为等周期的，这称为去参差，然后送到双延时对消器去处理。

3 仿真分析endprint

通过仿真实验对比单延时对消、双延时对消响应，进而验证本文所提变T技术的有效性。设MIMO雷达的发射基地数M=2，接收基地数N=2，这样MIMO雷达在接收端就形成了4个独立的接收通道，参数设置如下： m，Hz，Hz，Hz，m/s，雷达发射脉冲重复周期 ms，理论探测最大距离 km。利用Matlab软件进行仿真结果如下：

图3比较了单延时对消和双延时对消响应，仿真结果可以看出，双延时对消器相对于单延时对消器，在阻带凹口谷底较宽，杂波抑制效果较好，杂波剩余不大；在通带上幅频响应较平坦，目标回波信号不会损失，因此，双延时对消响应相比单延时对消响应拥有更好的效果。

由图4，5仿真结果可知，当目标以某径向速度运动时，设置两个不同的脉冲重复频率，当运动目标在时，其，即盲速点，此时运动目标回波MTI处理输出为0；而在时，由于，跳开了盲速点，MTI处理输出不为0，并仍有较大输出。这样从到的变化（即变T），起到了反盲速的作用。

4 结语

通过理论分析及仿真实验证明，MIMO雷达对运动目标回波采用单延时对消时的幅频响应在零频附近抑制杂波的零值区宽度可能达不到要求，而采用双延时对消及变T技术处理盲速的动目标检测方法，不仅可以较好地解决盲速问题，而且可以通过改变参差数和参差比来获得不同的响应特性。同时还可以很好的抑制雷达检波器输出信号中的杂波，并能提取更精确的动目标回波信息，从而大大改善了MIMO雷达在杂波背景下检测运动目标的性能。该方法相比传统的单延时对消方法在抑制杂波的能力上提高了18%，具有较强的实用性及工程应用性。

参考文献

[1] 斯托伊卡，李建.MIMO雷达信号处理[M].北京：国防工业出版社，2013.

[2] 赵树杰.雷达信号处理技术[M].清华大学出版社，2010.

[3] MAHAFZABR，ELSHERBENIAZ.雷达系统没计MATLAB仿真[M].朱困富，译.北京：电子工业出版社，2009.

[4] 基于Labview的雷达动目标仿真[J].罗仕红，刘春生，译.电子设计工程，2010，18（6）：33-35.

[5] 马晓岩，向家彬，朱裕生，等.雷达信号处理[M].湖南科学技术出版社，1999.

[6] Merrill I.Skolnik.雷达系统导论[M].左群声，等，译.北京：电子工业出版社，2006.

[7] 王敦勇，马晓岩，袁俊泉.MIMO雷达的MTI处理及性能分析[J].航天电子对抗，2008（1）：73-76.

[8] MIMO radar moving target detection in liomogeneous clutter [J].HE Qian， LLIIMANNN，BLCMRS，etal.IEEE Trans on Aerospace and Electronic Systems，2010，46（3）：1290-1301.

[9] MIMO radar detection in non-Gaussian and hererogeneous clutter [J].CHONG Chen-yuan，PASCALF，OVARLEZJP， etal. IEEE Jour-nal of Selected Topics in Signal Processing，2010，4（1）：115-126.endprint

通过仿真实验对比单延时对消、双延时对消响应，进而验证本文所提变T技术的有效性。设MIMO雷达的发射基地数M=2，接收基地数N=2，这样MIMO雷达在接收端就形成了4个独立的接收通道，参数设置如下： m，Hz，Hz，Hz，m/s，雷达发射脉冲重复周期 ms，理论探测最大距离 km。利用Matlab软件进行仿真结果如下：

图3比较了单延时对消和双延时对消响应，仿真结果可以看出，双延时对消器相对于单延时对消器，在阻带凹口谷底较宽，杂波抑制效果较好，杂波剩余不大；在通带上幅频响应较平坦，目标回波信号不会损失，因此，双延时对消响应相比单延时对消响应拥有更好的效果。

由图4，5仿真结果可知，当目标以某径向速度运动时，设置两个不同的脉冲重复频率，当运动目标在时，其，即盲速点，此时运动目标回波MTI处理输出为0；而在时，由于，跳开了盲速点，MTI处理输出不为0，并仍有较大输出。这样从到的变化（即变T），起到了反盲速的作用。

4 结语

通过理论分析及仿真实验证明，MIMO雷达对运动目标回波采用单延时对消时的幅频响应在零频附近抑制杂波的零值区宽度可能达不到要求，而采用双延时对消及变T技术处理盲速的动目标检测方法，不仅可以较好地解决盲速问题，而且可以通过改变参差数和参差比来获得不同的响应特性。同时还可以很好的抑制雷达检波器输出信号中的杂波，并能提取更精确的动目标回波信息，从而大大改善了MIMO雷达在杂波背景下检测运动目标的性能。该方法相比传统的单延时对消方法在抑制杂波的能力上提高了18%，具有较强的实用性及工程应用性。

参考文献

[1] 斯托伊卡，李建.MIMO雷达信号处理[M].北京：国防工业出版社，2013.

[2] 赵树杰.雷达信号处理技术[M].清华大学出版社，2010.

[3] MAHAFZABR，ELSHERBENIAZ.雷达系统没计MATLAB仿真[M].朱困富，译.北京：电子工业出版社，2009.

[4] 基于Labview的雷达动目标仿真[J].罗仕红，刘春生，译.电子设计工程，2010，18（6）：33-35.

[5] 马晓岩，向家彬，朱裕生，等.雷达信号处理[M].湖南科学技术出版社，1999.

[6] Merrill I.Skolnik.雷达系统导论[M].左群声，等，译.北京：电子工业出版社，2006.

[7] 王敦勇，马晓岩，袁俊泉.MIMO雷达的MTI处理及性能分析[J].航天电子对抗，2008（1）：73-76.

[8] MIMO radar moving target detection in liomogeneous clutter [J].HE Qian， LLIIMANNN，BLCMRS，etal.IEEE Trans on Aerospace and Electronic Systems，2010，46（3）：1290-1301.

[9] MIMO radar detection in non-Gaussian and hererogeneous clutter [J].CHONG Chen-yuan，PASCALF，OVARLEZJP， etal. IEEE Jour-nal of Selected Topics in Signal Processing，2010，4（1）：115-126.endprint

通过仿真实验对比单延时对消、双延时对消响应，进而验证本文所提变T技术的有效性。设MIMO雷达的发射基地数M=2，接收基地数N=2，这样MIMO雷达在接收端就形成了4个独立的接收通道，参数设置如下： m，Hz，Hz，Hz，m/s，雷达发射脉冲重复周期 ms，理论探测最大距离 km。利用Matlab软件进行仿真结果如下：

图3比较了单延时对消和双延时对消响应，仿真结果可以看出，双延时对消器相对于单延时对消器，在阻带凹口谷底较宽，杂波抑制效果较好，杂波剩余不大；在通带上幅频响应较平坦，目标回波信号不会损失，因此，双延时对消响应相比单延时对消响应拥有更好的效果。

由图4，5仿真结果可知，当目标以某径向速度运动时，设置两个不同的脉冲重复频率，当运动目标在时，其，即盲速点，此时运动目标回波MTI处理输出为0；而在时，由于，跳开了盲速点，MTI处理输出不为0，并仍有较大输出。这样从到的变化（即变T），起到了反盲速的作用。

4 结语

通过理论分析及仿真实验证明，MIMO雷达对运动目标回波采用单延时对消时的幅频响应在零频附近抑制杂波的零值区宽度可能达不到要求，而采用双延时对消及变T技术处理盲速的动目标检测方法，不仅可以较好地解决盲速问题，而且可以通过改变参差数和参差比来获得不同的响应特性。同时还可以很好的抑制雷达检波器输出信号中的杂波，并能提取更精确的动目标回波信息，从而大大改善了MIMO雷达在杂波背景下检测运动目标的性能。该方法相比传统的单延时对消方法在抑制杂波的能力上提高了18%，具有较强的实用性及工程应用性。

参考文献

[1] 斯托伊卡，李建.MIMO雷达信号处理[M].北京：国防工业出版社，2013.

[2] 赵树杰.雷达信号处理技术[M].清华大学出版社，2010.

[3] MAHAFZABR，ELSHERBENIAZ.雷达系统没计MATLAB仿真[M].朱困富，译.北京：电子工业出版社，2009.

[4] 基于Labview的雷达动目标仿真[J].罗仕红，刘春生，译.电子设计工程，2010，18（6）：33-35.

[5] 马晓岩，向家彬，朱裕生，等.雷达信号处理[M].湖南科学技术出版社，1999.

[6] Merrill I.Skolnik.雷达系统导论[M].左群声，等，译.北京：电子工业出版社，2006.

[7] 王敦勇，马晓岩，袁俊泉.MIMO雷达的MTI处理及性能分析[J].航天电子对抗，2008（1）：73-76.

[8] MIMO radar moving target detection in liomogeneous clutter [J].HE Qian， LLIIMANNN，BLCMRS，etal.IEEE Trans on Aerospace and Electronic Systems，2010，46（3）：1290-1301.

[9] MIMO radar detection in non-Gaussian and hererogeneous clutter [J].CHONG Chen-yuan，PASCALF，OVARLEZJP， etal. IEEE Jour-nal of Selected Topics in Signal Processing，2010，4（1）：115-126.endprint