MIMO雷达信号处理综述

摘 要：MIMO雷达天线有多种组成方式，并且能够接收多种波形新号。MIMO雷达天线一般情况下并不在同一条线上，可以将其分为收发数量相等和不相等两种信号手法形式。本文以MIMO雷达天线以及其信号模型、波束、目标检测、MIMO雷达恒虚警处理等为内容，进行分析与研讨，以探究MIMO雷达相对于传统雷达的先进性，为进一步研究雷达性能做铺垫。

关键词：MIMO雷达；信号处理

中图分类号：TN957.51 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）07-0076-03

Abstract：MIMO radar antenna can receive a variety of waveform signals，it can receive a variety of waveforms. Generally speaking，MIMO radar antenna is not on the same line，but it can be divided into two kinds of signal manipulation forms：equal or equal number of transceivers. In this paper，MIMO radar antenna and its signal model，beam，target detection MIMO radar CFAR processing are analyzed and discussed in order to explore the advantages of MIMO radar compared with traditional radar，and to pave the way for further research on radar performance improvement.

Keywords：MIMO radar；signal processing

0 引 言

MIMO雷达是一种非常先进的雷达信号处理系统，它的机制与概念是相统一。如何展现MIMO雷达信号处理的高效性，已经成为当前雷达技术工作的重点。本文将针对MIMO雷达信号处理进行综合论述。

1 MIMO雷达天线

对于MIMO雷达稀疏阵列来说，MIMO雷达天线之间的距离相对较近，并且其角度能够有效的改善，通过稀疏阵列不断的优化，使得MIMO雷达天线展现最佳的效果。MIMO系统应用的稀疏阵列相比传统阵列来说，除了增强原有系统阵列的分辨率外，效率也呈现不断提升的状态。假定目标散射回波对每个天线都是相同的，但是不同天线之间也会存在一定的微小延迟。想要切实保障目标散射的独立性，就要通过目标细节特征来改善，才能够保障回波的能量朝向MIMO雷达天线[1]。若将目标的大小看作合理的定位散射阵列，那么就能够实现散射波的不相关性。天线角距与散射阵的宽度相对较小的情况下，便可以有效的对雷达信号进行处理。针对阵列设计的过程，应该着重考虑空间的模糊性与分辨率。MIMO虚拟阵列主要分为稀疏阵列、紧凑阵列、超紧凑阵列。如何选择MIMO虚拟阵列种类，就需要结合实际的情况。此外，若想要同时保障监视雷达系统的高效运行，就需要针对空间的模糊性进行权衡。

2 MIMO雷达信号模型

MIMO雷达信号模型主要有两方面内容，分别是发射阵元不分子阵和发射阵元分子阵。对于发射阵元不分子阵来说，若MIMO雷达中存在M个发射阵元和N个接收阵列，那么发射信号主要为S1（t），S2（t），S3（t）……，SM（t）。对于发射阵分阵列来说，其主要内容便是将发射阵列的各个子阵发射的方向定位为f（θ），其被反射之后，所得到相关的信号表达式为：

针对回波信号匹配滤波来说，由于MIMO雷达在接受信号的同时，各个信号能够在信号通道中形成复合的合成信号，所以想要将这些合成信号有顺序、有规律的进行分离，就必须使用回波信号匹配滤波[2]。由于MIMO雷达所发射的信号都是相互正交的，使得不同匹配的滤波器都是相关连的。这样，将合成信号与所有的发射信号相关联，并分别求其相关性，便可以有效的针对不同信号进行分离。其具体的回波信号匹配滤波器组的结构如图1所示。

在开展信号分离的过程中，第n个接收端接收到的回波信号的数学表达式为：

若将发射信号Si（t）与Sj（t）相互正交，则：

若在第n个接收端，将i个发射单元的发射信号Si（t）与回波信号Xn（t）做匹配滤波运算，可以得到：

所以第n个接收机进行匹配滤波之后，输出的信号可写为：

输出的信号表达式可写为：

综上所述，在开展信号分离的过程中，一般使用频域匹配滤波法。由于用FFT在设计的过程中，计算量相对较小，并且运行速度也相对较快，所以利用FFT能够有效的增强正频域匹配滤波器组的整体运作效率，其具体结构流程如图2所示。

3 MIMO雷达的波束

MIMO雷达波束的形成原理主要是将每个雷达的接收机和匹配滤波器的发射波进行匹配，使得每个发射波同时存在于MN个匹配滤波中，并输出。通过明确目标方向和波束指向，来统筹发射信号的波长以及阵列间距，以展现该接收信号[3]。图3是数字波束形成流程图。波束形成器所存在的计算方法，是将通道内的各个信号进行加权与求和，将所有信息形成阵列，从而形成多个空间方向的定向波束，切实得出相对优质的波束性能。针对数字波束的形成来说，主要是通过雷达系统接收不同信号通道内所发射的信号内容。充分利用MIMO雷达的手段，将接收端组成多个波束，并充分覆盖所有的照射空间。

4 MIMO雷达的目标检测

MIMO雷达所检测的目标一般都具有移动性的，并且周围的很多目标都是无法预测的。与此同时，雷达检测的目标一般还与自然环境有着极大的关系，并且容易受到敌对势力所释放出的各种信号的干扰，多样的杂波和运动目标并存，为MIMO雷达探测带来了许多的麻烦。并且运动目标与杂波的运动速度有所不同，很容易产生不同的多普勒频率。通过MTI和MTD的手段，能够将频率上的差异以及运动目标及时检测出来。MIMO雷达的目标检测手段主要分成两方面内容，分别为动目标显示和动目标检测。动目标主要是利用杂波抑制滤波器，对多种杂波进行滤波，以便切实提高MIMO雷达信号的信杂比。此外，还可以通过回波多普勒频移的手段，对运动目标的杂波进行区分。动目标检测主要是利用多普勒滤波器的手段，对多种杂波进行有效的抑制，以便切实增强MIMO雷达的目标检测能力。MTD滤波器的频率特性图如图4所示。

5 MIMO雷达恒虚警处理

MIMO雷达信号处理中至关重要的环节便是MIMO雷达恒虚警处理。为了保障雷达在开展目标监测的同时不受到其他因素的干扰，设置了雷达恒虚警处理功能。其主要目的便是在噪音下做出有效的信号判断。如果检测门限固定，那么即便干扰电平只上升几分贝，也会影响信号处理的准确性。所以为了切实有效的提取信号，就必须保证较高的信噪比，并高效的运用雷达恒虚警处理设备。在开展雷达恒虚警处理工作时，往往噪声功率并不是一个常数。想要保持雷达恒虚警处理效率不变，就必须结合噪声的方差改变门限值，并将自调的门限值替换成固定门限，实时的对背景噪声以及杂波干扰电波进行控制与调整，切实保障信号接收的高效性，同时，可根据不同的虚警率得到不同的门限因子。

6 结 论

总而言之，MIMO雷达是当前形势下非常高效的信号处理手段，与传统的雷达相比具有极其显著的高效性。想要切实保障信号处理工作的效率，就需要了解MIMO雷达天线的实际作用，创建完善的雷达模型，并针对MIMO雷达匹配滤器的具体处理过程进行详细的设计。本文针对DBF技术进行了解之后，深入讨论了匹配滤波和处理次序之间的关系，并且介绍了动目标显示、动目标检测和恒虚警处理的基本原理，为MIMO雷达的工程实现提供了有力的理论支撑。想要不断的完善我国雷达信号的处理技术，还需要广大科技人员的不懈努力，切实促进我国通信信息行业的不断发展和进步。

参考文献：

[1] 杨守国，李勇，张昆辉，等.MIMO雷达信号处理半实物仿真系统的设计与实现 [J].现代雷达，2017，39（4）：87-91.

[2] 李仙茂，董天临，黄高明.MIMO雷达信号处理综述 [J].现代防御技术，2017，45（1）：107-112+146.

[3] 庞娜，徐平江.基于多核DSP的MIMO雷达信号处理的实现 [J].电子技术应用，2014，40（9）：4-6+13.

作者简介：朱肃娴（1988.01-），女，汉族，新疆精河人，助理工程师，本科。研究方向：雷达信号总体。