董自通

(西安電子科技大學電子工程學院，陜西西安 710071)

多輸入多輸出(Multi－Input Multi－Output，MIMO)技術能在不增加帶寬的情況下，大幅提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率，其在無線通信系統(tǒng)中被提出，目的是解決無線通信中信道多徑衰落問題［1］。受MIMO技術在通信領域發(fā)展中的啟發(fā)和基于MIMO技術所體現(xiàn)出的優(yōu)越性，近來美國學者提出了MIMO雷達。

MIMO雷達與常規(guī)相控陣雷達不同的是:相控陣雷達希望最大化相干處理增益，因此相控陣雷達發(fā)射的是相參信號;MIMO雷達是通過滿足空間分集的M個發(fā)射機發(fā)射相互正交的信號，經(jīng)過目標散射后，由N個接收機接收到的信號經(jīng)過計算平均后，求出目標。MIMO雷達的優(yōu)點在于不像傳統(tǒng)雷達那樣存在雷達截面積(Radar Cross Section，RCS)起伏。

1 MIMO雷達工作原理與性能分析

1.1 MIMO雷達的基本工作原理

MIMO雷達研究在于如何利用發(fā)射和接收的多樣性進行目標偵測，即信號通過發(fā)射端和接收端的多個天線發(fā)送和接收，每個接發(fā)天線對之間形成一個MIMO子信道，各MIMO子通道之間的信號具有一定的相互獨立性，采用空間分集，從各個角度觀察目標以改善目標獲取的數(shù)量與質(zhì)量。多輸入多輸出(MIMO)雷達，其基本概念是網(wǎng)絡內(nèi)多個發(fā)射站同時發(fā)射信號，多個接收站點同時接收信號。

1.2 MIMO雷達目標檢測模型

發(fā)射分集的MIMO雷達，發(fā)射陣元間距較大，以利用空間分集特性，接收陣元間距較小，以便進行波到達角方向估計［2］。系統(tǒng)模型如圖1所示，系統(tǒng)由M個發(fā)射陣元、N個接收陣元和一個目標組成。MIMO雷達在發(fā)射端為獲取目標的空間多樣性，使其發(fā)射信號之間具有獨立性，要求發(fā)射陣元的間距足夠大，即滿足

圖1 MIMO雷達示意圖

式中，λ為載波波長;R為發(fā)射陣元到目標的距離;D為目標橫向尺寸(一般R?Δd)。發(fā)射陣元同時發(fā)射M個相互正交的窄帶信號。接收端共有N個接收陣元，為保證測角時不發(fā)生模糊，接受陣元的間距應滿足

為使不同發(fā)射陣列的信號能相互正交，即滿足接收機端的匹配濾波，要求發(fā)射信號有特定的頻率關系［3］。正交性可以用式(3)表示

由于MIMO雷達滿足空間分集與信號分集的條件，這樣便形成了M×N個獨立的信號通路。

1.3 MIMO雷達的優(yōu)勢

(1)RCS平均近似恒定。由于目標是由多數(shù)小的散射體組成，所以目標到雷達的距離，方位輕微變化都會引起目標的RCS變化，即引起反射波能量的變化。MIMO雷達利用了目標RCS的統(tǒng)計特性，可使目標對MIMO雷達的有效截面積近似恒定，提高了雷達的檢測性能［4］。

(2)MIMO雷達的多個發(fā)射天線照射到目標的不同側面，可以檢測到更多的目標有用信息，提高目標識別能力。

(3)反隱身效果好。MIMO雷達采用寬頻譜、多角度掃描，而隱身飛機則不可能做到任何角度，任何頻段都隱身的效果，所以總有大的RCS被檢測到。

(4)抗摧毀能力強，MIMO雷達發(fā)射天線間距大，不容易被同時摧毀，即使被摧毀若干個發(fā)射天線，但對系統(tǒng)的整體影響并不致命。

2 對MIMO雷達的干擾措施

2.1 假目標欺騙干擾

假目標欺騙干擾的作用原理。采用假目標和信息作用于雷達的目標監(jiān)測與跟蹤，使雷達無法正確地檢測到真目標或者不能正確測量真目標的參數(shù)信息。

雷達組網(wǎng)技術的應用，使得對單部雷達的欺騙干擾容易被雷達網(wǎng)絡所識別。為有效欺騙組網(wǎng)雷達，制造逼真的假目標信息，并在雷達網(wǎng)的多部雷達上呈現(xiàn)相同的航跡，并對多部網(wǎng)內(nèi)雷達同時實時欺騙干擾。為此，必須研究多部雷達產(chǎn)生相關假目標航跡的原理和算法。進行距離欺騙的假目標欺騙干擾［5］。

對MIMO雷達，設其有M個發(fā)射天線，N個接收天線，當其同時對m個目標進行掃描時，在處理器輸入端有M×m×N個信號輸入，最后分選出m組信號。如果在每個假目標上再發(fā)射k個假信號，那么在處理器端就會有M×m×N×k個信號，假如M，m，N，k均為5，則有625個信號，而真目標只有5個，要使這個系統(tǒng)只處理m個真目標，運算難度較大，也會拖延計算目標參數(shù)信息所需的時間。

由于MIMO雷達探測一個大目標是將其分為多個小目標散射體，則作為假目標干擾，只要延遲時間走過的距離大于雷達分辨率，小于其距離波門，就可以實現(xiàn)對其最簡單的一種干擾，也是在對MIMO雷達網(wǎng)絡內(nèi)，雷達參數(shù)已知較少的情況下一種比較理想、易于實現(xiàn)的干擾方式。

2.2 分布式干擾

分布式干擾主要采用體積小、質(zhì)量輕、分布在目標干擾MIMO雷達附近的壓制性噪聲干擾。使用分布式干擾，由于干擾機配置在敵方縱深處，遠離我方陣地，所以徹底解決了電磁兼容問題。分布式在干擾過程中具有明顯的距離優(yōu)勢和功率優(yōu)勢。對壓制式干擾來講，干信比越大，雷達發(fā)現(xiàn)目標的概率就越小，由于分布式干擾的干擾效能在于其合成功率，在分布式干擾單元分布之后，各干擾源與被干擾對象之間距離的不確定性，帶來了干擾信號相位的不確定性，增加了分析干擾效能的復雜度。

3 MIMO雷達干擾仿真

3.1 MIMO雷達的收/發(fā)信號模型

正交信號是MIMO雷達工作的基礎，為獲得高分辨力，MIMO雷達需要正交信號具有低自相關旁瓣，通過對接收機信號匹配濾波處理來分離發(fā)射信號分量，并要求信號間的互相關應盡可能低［1］。根據(jù)上述工作原理和圖1所示，第m個發(fā)射信號sm(t)到達位于θ方向的目標時，信號為

式中，τm是相對第一個發(fā)射天線的延時，即

其中，c為光速;dt為發(fā)射天線間距;sm(t－τm)可以表示為

α1是信號傳輸損耗，可認為對各信號相同，位于θ處的目標被照射的和信號可以表示為

β(θ)=［1，e－jφ，e－j2φ，…，e－j2(M－1)φ］為發(fā)射導向矢量;s(t)=［s1(t)，s2(t)，…，sM(t)］T為發(fā)射信號向量。信號p(t)經(jīng)過RCS為的目標散射，則第n個天線接收到的信號為

其中，vn(t)為第n個接收天線的噪聲;α2是目標散射系數(shù)和傳播損耗的總和，則總接收信號向量為

寫成向量形式為

3.2 MIMO雷達功能仿真

一個4×1×4(發(fā)射天線×目標×接收天線)的MIMO雷達系統(tǒng)，發(fā)射信號為線性調(diào)頻信號，在接收端通過匹配濾波測得目標參數(shù)信息，每次接收信號共4×1×4=16個，實際目標位于雷達15 km處。MIMO發(fā)射信號頻率間隔為20 fP的各信號與接收信號匹配濾波輸出，橫坐標為距離信息，如圖2所示。

圖2 頻率間隔為20 f P的各信號與接收信號匹配濾波輸出

當MIMO發(fā)射信號頻率間隔為300 fP時，可以直接得到目標的距離信息。

圖3 頻率間隔為300 fP的各信號與接收信號匹配濾波輸出

3.3 對MIMO雷達的干擾仿真

接收后延遲再發(fā)射，可產(chǎn)生距離欺騙，且可以是多假目標干擾。(1)當只對MIMO雷達中一個雷達進行有效干擾時，在MIMO雷達接收機進行匹配濾波時，可方便地將干擾去除，而提取目標有用的信息，仿真如圖4所示。

圖4 當在信號中只加入一個頻率值干擾信號時接收信號匹配濾波輸出

雖然在第一個濾波器輸出時，干擾了雷達的測距，但當將4個輸出進行統(tǒng)計輸出時，還可以得到目標在15 km的距離信息。

(2)而當對MIMO雷達陣列中所有雷達都干擾時，就可以產(chǎn)生有效地干擾，仿真如圖5所示。

圖5 接收信號與接收信號匹配濾波輸出

只有對MIMO雷達中所有雷達都進行干擾時，才能對MIMO雷達系統(tǒng)實現(xiàn)有效干擾。

4 結束語

介紹了MIMO雷達的特點，建立了MIMO雷達工作模型，討論了其性能，并針對性地給出了幾種干擾方法:假目標欺騙干擾和分布式干擾，并對假目標欺騙干擾進行了Matlab仿真，取得了良好的干擾效果。MIMO雷達作為一種新體制雷達，目前應用于實戰(zhàn)中較少，而它的成像算法有多種，對其干擾仍需進一步研究。

［1］劉波.MIMO雷達正交波形設計與信號處理研究［D］.成都:電子科技大學，2008.

［2］杜宏峰.MIMO雷達的監(jiān)測與估計［D］.南京:南京理工大學，2009.

［3］邵慧.MIMO雷達的研究［D］.西安:西安電子科技大學，2009.

［4］梁百川.對統(tǒng)計MIMO雷達的干擾［J］.艦船電子對抗，2009(1):33－36.

［5］張錫祥.對MIMO雷達的干擾構想［J］.現(xiàn)代雷達，2010(4):59－62.