李國(guó)強(qiáng)

摘 要：針對(duì)MIMO雷達(dá)的動(dòng)目標(biāo)顯示（MTI）特性，通過(guò)與傳統(tǒng)單延時(shí)對(duì)消方法對(duì)比，采用雙延時(shí)對(duì)消和變T技術(shù)處理盲速的方法進(jìn)行動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)。最后對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，在動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)中使用雙延遲線對(duì)消和變T技術(shù)處理盲速的方法，能夠更好地提取雜波中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：MIMO雷達(dá) 動(dòng)目標(biāo)顯示（MTI） 延時(shí)對(duì)消

中圖分類號(hào)：S763 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）04（a）-0018-02

多輸入多輸出（MIMO）雷達(dá)是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新體制雷達(dá)。通常將MIMO雷達(dá)分為兩大類：一類是共置MIMO雷達(dá)，這類雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射陣元間距很小，發(fā)射機(jī)從同一個(gè)角度照射目標(biāo)，通過(guò)波形分集提高雷達(dá)系統(tǒng)性能；另一類是統(tǒng)計(jì)MIMO雷達(dá)，這類雷達(dá)發(fā)射陣元間距分散開，利用多個(gè)不同方位的雷達(dá)發(fā)射信號(hào)，較好地克服了目標(biāo)RCS的角閃爍所帶來(lái)的性能損失，獲得較大的空間分集增益，能夠根據(jù)多普勒頻移解決慢目標(biāo)的檢測(cè)問(wèn)題，而且能夠克服帶寬的限制，實(shí)現(xiàn)更高精度的目標(biāo)定位[1]。由于雷達(dá)天線接收到的信號(hào)除了感興趣的目標(biāo)回波以外，還包括接收機(jī)的噪聲、以及各種雜波。

因此，當(dāng)雜波和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波同時(shí)被接收時(shí)，會(huì)使目標(biāo)的觀測(cè)顯得困難。一方面，如果目標(biāo)回波信號(hào)混疊在強(qiáng)干擾雜波中，不可能完成自動(dòng)門限信號(hào)檢測(cè)。即使目標(biāo)回波信號(hào)與干擾雜波處在不同的距離、方位和仰角上，雜波背景也會(huì)影響雜波鄰近目標(biāo)回波信號(hào)的分辨；另一方面，如果雷達(dá)終端采用自動(dòng)檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，則由于大量雜波的存在，將引起終端過(guò)載或不必要地增加系統(tǒng)的容量和復(fù)雜性。因此，無(wú)論從抗干擾或改善雷達(dá)工作質(zhì)量的觀點(diǎn)來(lái)看，選擇運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波而抑制雜波背景很重要?？梢詮乃俣鹊牟顒e上來(lái)區(qū)分運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和雜波。由于運(yùn)動(dòng)速度不同而引起回波信號(hào)頻率產(chǎn)生的多普勒頻移不相等，這就可以從頻率上區(qū)分不同速度目標(biāo)的回波[2]。因此，本文將討論后一種類型的MIMO雷達(dá)中MTI問(wèn)題。

1 目標(biāo)多普勒頻移及雜波功率譜

MIMO雷達(dá)在發(fā)射端共有M個(gè)以較大距離分布的發(fā)射基地，同時(shí)發(fā)射M個(gè)相互正交的信號(hào)，接收端共有N個(gè)接收基地，且分布距離也較大。在每個(gè)接收端，發(fā)射機(jī)利用信號(hào)的正交性分離來(lái)自不同發(fā)射的回波，這樣在每個(gè)接收端形成了M個(gè)獨(dú)立的信號(hào)通道，整個(gè)系統(tǒng)就形成了MN個(gè)獨(dú)立的信號(hào)通道，且每個(gè)信號(hào)通道相當(dāng)于一部等效的雙基地雷達(dá)[3]。假如發(fā)射端發(fā)射的M個(gè)信號(hào)的波長(zhǎng)λ相同，脈沖重復(fù)頻率相等，那么第k（k=1，2，…，MN）個(gè)通道（或第k部等效雷達(dá)）的多普勒頻移為：

（1）

式中，為第k部等效雷達(dá)的雙基地角，為第k部等效雷達(dá)角平分線與X軸的夾角。對(duì)雜波而言，除孤立的建筑物等可認(rèn)為是固定點(diǎn)目標(biāo)外，大部分雜波均屬于分布雜波且包含內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，當(dāng)天線不掃描時(shí)，固定雜波的功率譜是位于

位置上的離散譜線。當(dāng)天線掃描時(shí)，由于雜波內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)是雜亂無(wú)章、無(wú)方向性的，所以每部等效雷達(dá)的雜波譜的展寬可認(rèn)為是一致的，即每部等效雷達(dá)的雜波功率譜用高斯函數(shù)表示為：

式中，是雜波的平均功率；為雜波的平均多普勒頻率；為雜波功率譜的標(biāo)準(zhǔn)偏差。與雜波速度的標(biāo)準(zhǔn)偏差的關(guān)系為：

（3）

式中的值只與雜波內(nèi)部起伏運(yùn)動(dòng)的程度有關(guān)，其量綱和速度的量綱相同。

2 MIMO雷達(dá)MTI基本原理

MTI（運(yùn)動(dòng)目標(biāo)顯示）的本質(zhì)含義：基于回波多譜勒信息的提取而區(qū)分為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和固定目標(biāo)。當(dāng)固定目標(biāo)、地雜波與運(yùn)動(dòng)目標(biāo)處于同一距離單元時(shí)，前者的回波通常比較強(qiáng)，以至于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波被“淹沒”其中，故必須設(shè)法區(qū)分二者。因固定目標(biāo)回波中的多譜勒頻率為零，慢速運(yùn)動(dòng)的雜波中所含的多譜勒頻移也集中在零頻附近，它們的回波經(jīng)相位檢波后，輸出信號(hào)的相位將不隨時(shí)間變化或隨時(shí)間作緩慢變化，反映在幅度上則為其幅度不隨時(shí)間變化或隨時(shí)間作緩慢變化。相反，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波經(jīng)相位檢波后，因其相位隨時(shí)間變化較大，反映在幅度上則為其幅度隨時(shí)間變化較快。因此，若將同一距離單元在相鄰重復(fù)周期內(nèi)的相檢輸出作相減運(yùn)算，則固定目標(biāo)回波將被完全對(duì)消，慢速雜波也將得到很大程度衰減，只有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)得以保留。顯然這樣便可將固定目標(biāo)、慢速雜波與運(yùn)動(dòng)目標(biāo)區(qū)別開來(lái)。這就是MTI對(duì)消的基本原理[4]。

2.1 單延時(shí)對(duì)消

單延時(shí)對(duì)消也稱一次對(duì)消，一次對(duì)消器是通過(guò)時(shí)域?yàn)V波來(lái)抑制零頻的靜止雜波，MIMO雷達(dá)MTI處理是在各通道單獨(dú)完成的，待每個(gè)通道各自做完對(duì)消處理，再綜合各通道的能量。

2.2 雙延時(shí)對(duì)消

單延時(shí)線對(duì)消器的幅頻響應(yīng)在零頻附近抑制雜波的零值區(qū)寬度可能達(dá)不到要求，一次延時(shí)對(duì)消器的輸出再加上另一個(gè)延時(shí)對(duì)消器如圖2，在其抑制雜波的凹口就能加寬，此結(jié)構(gòu)稱為雙延時(shí)對(duì)消，或簡(jiǎn)稱二次對(duì)消。

2.3 變T技術(shù)

當(dāng)時(shí)，對(duì)消器輸出為零，即當(dāng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在對(duì)消器輸出端無(wú)信號(hào)輸出。這里當(dāng)即時(shí)，對(duì)應(yīng)的固定目標(biāo)無(wú)輸出，這是所希望的。與此同時(shí)徑向速度為零的動(dòng)目標(biāo)回波也會(huì)被抑制，這是不可避免的。但在時(shí)，具有這些多譜勒頻率（）的目標(biāo)，在對(duì)消器輸出端也沒有輸出，因此稱對(duì)應(yīng)這些多譜勒頻率的目標(biāo)徑向運(yùn)動(dòng)速度為盲速，記為，即：

（10）

可見盲速是目標(biāo)在一個(gè)重復(fù)周期的位移恰好等于（或其整數(shù)倍）的速度。這時(shí)相鄰周期重復(fù)周期的回波初相位差。是（或其整數(shù)倍），所以從MTI雷達(dá)相位檢波器輸出的視頻脈沖幅度相等，故對(duì)消后[5]。盲速問(wèn)題的解決可以把第一盲速提高到某個(gè)范圍之外，即改變脈沖重復(fù)周期。由于延遲線的延遲時(shí)間必須與前一次發(fā)射的脈沖間隔相等，當(dāng)采用參差變周時(shí)，可采用有中間抽頭輸出的（即多種延遲時(shí)間輸出的）延遲線。本文采用一段短的延遲線，將接收回波（參差變周的）的時(shí)間加以調(diào)整，而成為等周期的，這稱為去參差，然后送到雙延時(shí)對(duì)消器去處理。

3 仿真分析endprint

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比單延時(shí)對(duì)消、雙延時(shí)對(duì)消響應(yīng)，進(jìn)而驗(yàn)證本文所提變T技術(shù)的有效性。設(shè)MIMO雷達(dá)的發(fā)射基地?cái)?shù)M=2，接收基地?cái)?shù)N=2，這樣MIMO雷達(dá)在接收端就形成了4個(gè)獨(dú)立的接收通道，參數(shù)設(shè)置如下： m，Hz，Hz，Hz，m/s，雷達(dá)發(fā)射脈沖重復(fù)周期 ms，理論探測(cè)最大距離 km。利用Matlab軟件進(jìn)行仿真結(jié)果如下：

圖3比較了單延時(shí)對(duì)消和雙延時(shí)對(duì)消響應(yīng)，仿真結(jié)果可以看出，雙延時(shí)對(duì)消器相對(duì)于單延時(shí)對(duì)消器，在阻帶凹口谷底較寬，雜波抑制效果較好，雜波剩余不大；在通帶上幅頻響應(yīng)較平坦，目標(biāo)回波信號(hào)不會(huì)損失，因此，雙延時(shí)對(duì)消響應(yīng)相比單延時(shí)對(duì)消響應(yīng)擁有更好的效果。

由圖4，5仿真結(jié)果可知，當(dāng)目標(biāo)以某徑向速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)置兩個(gè)不同的脈沖重復(fù)頻率，當(dāng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在時(shí)，其，即盲速點(diǎn)，此時(shí)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波MTI處理輸出為0；而在時(shí)，由于，跳開了盲速點(diǎn)，MTI處理輸出不為0，并仍有較大輸出。這樣從到的變化（即變T），起到了反盲速的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)理論分析及仿真實(shí)驗(yàn)證明，MIMO雷達(dá)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波采用單延時(shí)對(duì)消時(shí)的幅頻響應(yīng)在零頻附近抑制雜波的零值區(qū)寬度可能達(dá)不到要求，而采用雙延時(shí)對(duì)消及變T技術(shù)處理盲速的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法，不僅可以較好地解決盲速問(wèn)題，而且可以通過(guò)改變參差數(shù)和參差比來(lái)獲得不同的響應(yīng)特性。同時(shí)還可以很好的抑制雷達(dá)檢波器輸出信號(hào)中的雜波，并能提取更精確的動(dòng)目標(biāo)回波信息，從而大大改善了MIMO雷達(dá)在雜波背景下檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的性能。該方法相比傳統(tǒng)的單延時(shí)對(duì)消方法在抑制雜波的能力上提高了18%，具有較強(qiáng)的實(shí)用性及工程應(yīng)用性。

參考文獻(xiàn)

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[3] MAHAFZABR，ELSHERBENIAZ.雷達(dá)系統(tǒng)沒計(jì)MATLAB仿真[M].朱困富，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

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[7] 王敦勇，馬曉巖，袁俊泉.MIMO雷達(dá)的MTI處理及性能分析[J].航天電子對(duì)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

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比單延時(shí)對(duì)消、雙延時(shí)對(duì)消響應(yīng)，進(jìn)而驗(yàn)證本文所提變T技術(shù)的有效性。設(shè)MIMO雷達(dá)的發(fā)射基地?cái)?shù)M=2，接收基地?cái)?shù)N=2，這樣MIMO雷達(dá)在接收端就形成了4個(gè)獨(dú)立的接收通道，參數(shù)設(shè)置如下： m，Hz，Hz，Hz，m/s，雷達(dá)發(fā)射脈沖重復(fù)周期 ms，理論探測(cè)最大距離 km。利用Matlab軟件進(jìn)行仿真結(jié)果如下：

圖3比較了單延時(shí)對(duì)消和雙延時(shí)對(duì)消響應(yīng)，仿真結(jié)果可以看出，雙延時(shí)對(duì)消器相對(duì)于單延時(shí)對(duì)消器，在阻帶凹口谷底較寬，雜波抑制效果較好，雜波剩余不大；在通帶上幅頻響應(yīng)較平坦，目標(biāo)回波信號(hào)不會(huì)損失，因此，雙延時(shí)對(duì)消響應(yīng)相比單延時(shí)對(duì)消響應(yīng)擁有更好的效果。

由圖4，5仿真結(jié)果可知，當(dāng)目標(biāo)以某徑向速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)置兩個(gè)不同的脈沖重復(fù)頻率，當(dāng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在時(shí)，其，即盲速點(diǎn)，此時(shí)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波MTI處理輸出為0；而在時(shí)，由于，跳開了盲速點(diǎn)，MTI處理輸出不為0，并仍有較大輸出。這樣從到的變化（即變T），起到了反盲速的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)理論分析及仿真實(shí)驗(yàn)證明，MIMO雷達(dá)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波采用單延時(shí)對(duì)消時(shí)的幅頻響應(yīng)在零頻附近抑制雜波的零值區(qū)寬度可能達(dá)不到要求，而采用雙延時(shí)對(duì)消及變T技術(shù)處理盲速的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法，不僅可以較好地解決盲速問(wèn)題，而且可以通過(guò)改變參差數(shù)和參差比來(lái)獲得不同的響應(yīng)特性。同時(shí)還可以很好的抑制雷達(dá)檢波器輸出信號(hào)中的雜波，并能提取更精確的動(dòng)目標(biāo)回波信息，從而大大改善了MIMO雷達(dá)在雜波背景下檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的性能。該方法相比傳統(tǒng)的單延時(shí)對(duì)消方法在抑制雜波的能力上提高了18%，具有較強(qiáng)的實(shí)用性及工程應(yīng)用性。

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通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比單延時(shí)對(duì)消、雙延時(shí)對(duì)消響應(yīng)，進(jìn)而驗(yàn)證本文所提變T技術(shù)的有效性。設(shè)MIMO雷達(dá)的發(fā)射基地?cái)?shù)M=2，接收基地?cái)?shù)N=2，這樣MIMO雷達(dá)在接收端就形成了4個(gè)獨(dú)立的接收通道，參數(shù)設(shè)置如下： m，Hz，Hz，Hz，m/s，雷達(dá)發(fā)射脈沖重復(fù)周期 ms，理論探測(cè)最大距離 km。利用Matlab軟件進(jìn)行仿真結(jié)果如下：

圖3比較了單延時(shí)對(duì)消和雙延時(shí)對(duì)消響應(yīng)，仿真結(jié)果可以看出，雙延時(shí)對(duì)消器相對(duì)于單延時(shí)對(duì)消器，在阻帶凹口谷底較寬，雜波抑制效果較好，雜波剩余不大；在通帶上幅頻響應(yīng)較平坦，目標(biāo)回波信號(hào)不會(huì)損失，因此，雙延時(shí)對(duì)消響應(yīng)相比單延時(shí)對(duì)消響應(yīng)擁有更好的效果。

由圖4，5仿真結(jié)果可知，當(dāng)目標(biāo)以某徑向速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)置兩個(gè)不同的脈沖重復(fù)頻率，當(dāng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在時(shí)，其，即盲速點(diǎn)，此時(shí)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波MTI處理輸出為0；而在時(shí)，由于，跳開了盲速點(diǎn)，MTI處理輸出不為0，并仍有較大輸出。這樣從到的變化（即變T），起到了反盲速的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)理論分析及仿真實(shí)驗(yàn)證明，MIMO雷達(dá)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波采用單延時(shí)對(duì)消時(shí)的幅頻響應(yīng)在零頻附近抑制雜波的零值區(qū)寬度可能達(dá)不到要求，而采用雙延時(shí)對(duì)消及變T技術(shù)處理盲速的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法，不僅可以較好地解決盲速問(wèn)題，而且可以通過(guò)改變參差數(shù)和參差比來(lái)獲得不同的響應(yīng)特性。同時(shí)還可以很好的抑制雷達(dá)檢波器輸出信號(hào)中的雜波，并能提取更精確的動(dòng)目標(biāo)回波信息，從而大大改善了MIMO雷達(dá)在雜波背景下檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的性能。該方法相比傳統(tǒng)的單延時(shí)對(duì)消方法在抑制雜波的能力上提高了18%，具有較強(qiáng)的實(shí)用性及工程應(yīng)用性。

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[5] 馬曉巖，向家彬，朱裕生，等.雷達(dá)信號(hào)處理[M].湖南科學(xué)技術(shù)出版社，1999.

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[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