趙永波 劉宏偉

(西安電子科技大學(xué)雷達信號處理國家重點實驗室，西安，710071)

引 言

雷達作為一種重要的電磁傳感器，在國防和民用領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。在應(yīng)用需求的牽引和技術(shù)發(fā)展的推動下，當(dāng)前雷達技術(shù)的發(fā)展日新月異，一些新體制、新系統(tǒng)和新方法不斷涌現(xiàn)。多輸入多輸出(Multiple input multiple ontput,MIMO)雷達就是把無線通信系統(tǒng)中的多個輸入和多個輸出技術(shù)引入到雷達領(lǐng)域,并和數(shù)字陣列技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的一種新體制雷達[1-20]。

MIMO雷達的概念在2003年由美國林肯實驗室的Bliss和Forsythe首次提出[1]，目前已成為國內(nèi)外雷達界的一個研究熱點。在MIMO雷達定義中，多輸入是指同時發(fā)射多種雷達信號波形(一般是多個天線同時發(fā)射不同的波形)，多輸出是指多個天線同時接收并通過多路接收機輸出以獲得多通道空間采樣信號。在這一概念框架下，傳統(tǒng)的機械掃描雷達由于只發(fā)射一種信號波形，也只有一路接收機輸出，其屬于單輸入單輸出雷達；單脈沖雷達只發(fā)射一種信號波形，一般有兩路(和波束與差波束或者左波束和右波束)接收機輸出，其屬于單輸入雙輸出雷達；相控陣數(shù)字波束形成(Digital beamforming,DBF)體制雷達多個發(fā)射天線同時發(fā)射相同波形的信號，多個接收天線也同時接收信號并經(jīng)多路接收機輸出，它可以看作單輸入多輸出雷達。根據(jù)發(fā)射和接收天線中各單元的間距大小，可以將MIMO雷達分為分布式MIMO雷達(又稱統(tǒng)計MIMO雷達或非相干MIMO雷達)[2]和集中式MIMO雷達(又稱相干MIMO雷達)[3]兩類。分布式MIMO雷達中收發(fā)天線各單元相距很遠，使得各陣元可以分別從不同的視角觀察目標，從而獲得空間分集得益，克服目標雷達截面積(Radar cross section，RCS)的閃爍效應(yīng)，提高雷達對目標的探測性能。而集中式MIMO雷達的收發(fā)天線各單元相距較近，各個天線單元對目標的視角近似相同，且每個陣元可以發(fā)射不同的信號波形，從而獲得波形分集，使得集中式MIMO雷達具有虛擬孔徑擴展能力及更靈活的功率分配能力，改善系統(tǒng)的能量利用率、測角精度、雜波抑制及低截獲能力等性能。需要說明的是，雖然分布式MIMO雷達強調(diào)的是空間分集得益，但是其各發(fā)射單元的波形也是不同的(通常是相互正交的)，即也是波形分集的。自從MIMO雷達的概念提出后，迅速成為雷達領(lǐng)域關(guān)注的熱點，每年的國際會議和期刊都有不少關(guān)于MIMO雷達的研究成果發(fā)表。目前，行業(yè)內(nèi)對MIMO雷達的認識褒貶不一，迫切需要對MIMO雷達有一個全面、正確的認識和評價，基于該目的，本文作者在對MIMO雷達多年研究的基礎(chǔ)上，從理論研究和工程應(yīng)用相結(jié)合的角度出發(fā)，對MIMO雷達的基本原理、特點、研究現(xiàn)狀及應(yīng)用等方面進行綜述。

1 MIMO雷達原理

1.1 MIMO雷達基本組成

MIMO雷達通常包含多個發(fā)射天線和多個接收天線(天線也可以收發(fā)共用)，各發(fā)射天線發(fā)射不同的信號波形，各發(fā)射信號經(jīng)過目標反射后被多個接收天線接收，并經(jīng)過多路接收機后送給信號處理進行后續(xù)處理，MIMO雷達的組成框圖如圖1所示。在MIMO雷達系統(tǒng)中各陣元各發(fā)射信號不再是一組相干信號，而是一組相互正交或部分相關(guān)信號。此時各信號在空間疊加后不會形成高增益的窄波束，而是會形成低增益的寬波束，對較大的空域范圍同時實現(xiàn)能量覆蓋，從而實現(xiàn)對大空域范圍內(nèi)的目標同時進行跟蹤和搜索。如圖2所示，當(dāng)MIMO雷達各發(fā)射信號相互正交時，則其發(fā)射能量覆蓋沒有方向性(假設(shè)單個天線單元沒有方向性)，在所有方向增益相同；當(dāng)各發(fā)射信號部分相關(guān)時，則其發(fā)射能量覆蓋為低增益的寬波束，波束指向和波束寬度由發(fā)射信號波形及其相位決定；當(dāng)各發(fā)射信號完全相關(guān)(即相干)時，則其發(fā)射能量覆蓋為高增益的窄波束，波束指向由發(fā)射信號相位決定，此時等效于各發(fā)射信號完全相同，只是相位不同，這時就變成了常規(guī)的相控陣雷達(更準確地說是數(shù)字陣列雷達)。

圖1 MIMO雷達基本組成Fig．1 Configuration of MIMO radar

圖2 MIMO雷達不同發(fā)射信號時的發(fā)射能量覆蓋圖 Fig．2 Transmit energy distribution of MIMO radar for different transmit waveforms

1.2 MIMO雷達信號處理流程

眾所周知，信號處理是雷達系統(tǒng)的核心部分，MIMO雷達的最大特點是其采用了波形分集技術(shù)，在接收端首先對目標反射的各發(fā)射信號進行分離，再經(jīng)過相位補償后合成，完成發(fā)射波束形成，接收天線之間再進行接收數(shù)字波束形成，從而同時獲得了發(fā)射和接收天線增益?？梢钥闯?，MIMO雷達的發(fā)射波束形成和接收波束形成都是在接收端的信號處理中實現(xiàn)，所以MIMO雷達的基本原理主要體現(xiàn)在信號處理中。下面給出MIMO雷達的信號處理流程。

(1)

其中IN為N×N的單位陣。設(shè)ar(θ)和at(θ)分別為對應(yīng)于方向θ的接收陣列導(dǎo)向矢量和發(fā)射陣列導(dǎo)向矢量，整個接收天線陣列接收到的信號表示為

(2)

其中yi(n)為第i個接收天線接收到的信號。設(shè)在方向θ0處有一個目標，則有

(3)

其中β為目標回波幅度，w(n)為噪聲，式中忽略了由目標距離引起的信號延遲。

在MIMO雷達信號處理中，可以根據(jù)發(fā)射波束形成放置的不同位置采用不同的處理流程。目前主要有兩種處理流程：(1)處理流程是把發(fā)射波束形成與接收波束形成聯(lián)合實現(xiàn)；(2)處理流程是把發(fā)射波束形成與脈沖壓縮聯(lián)合實現(xiàn)。

1.2.1 第1種處理流程

該處理流程主要包括時域一維匹配濾波和綜合波束形成，如圖3所示。其中時域一維匹配濾波實現(xiàn)脈沖壓縮和各發(fā)射信號分離作用，綜合波束形成是指對所有路接收信號的全部時域一維匹配濾波器的輸出進行調(diào)相求和處理，使其能進行有效合成，等效于同時實現(xiàn)接收波束形成和發(fā)射波束形成功能，波束形成的輸出再進行和常規(guī)雷達相同的脈沖積累、檢測等處理。所有路接收信號的全部時域一維匹配濾波器的輸出排列成一個向量時就等效于發(fā)射和接收陣列聯(lián)合形成的一個虛擬天線陣列，綜合波束形成即是對虛擬天線陣列信號進行的波束形成操作。N個時域濾波器分別與N個發(fā)射信號相匹配，所以第i個時域濾波器的權(quán)系數(shù)為

(4)

式中:上劃線表示復(fù)數(shù)共軛，該濾波器只和時間有關(guān)，而與方向無關(guān)。由于N個發(fā)射信號相互正交，上述濾波器在實現(xiàn)匹配濾波的同時，也起到了對目標反射的各發(fā)射信號進行分離的作用，例如第i個時域濾波器在正好和第i個發(fā)射信號匹配的時刻，對其他發(fā)射信號的濾波輸出等于0，這很容易根據(jù)式(1)得到。

圖3 MIMO雷達第1種信號處理流程Fig．3 The first signal processing flow of MIMO radar

圖4 MIMO雷達第2種信號處理流程Fig．4 The second signal processing flow of MIMO radar

1.2.2 第2種處理流程

該處理流程主要包括接收波束形成和脈沖綜合，如圖4所示。其中脈沖綜合同時實現(xiàn)脈沖壓縮和發(fā)射波束形成功能。為了對θ0方向的目標進行脈沖綜合，則脈沖綜合要θ0方向的目標回波匹配，其權(quán)系數(shù)為對θ0方向的目標回波進行倒序并取共軛，有

(5)

可以看出，脈沖綜合不僅和時間有關(guān)，還和方向有關(guān)，所以其匹配濾波又稱為時空兩維匹配濾波(其中時間一維，方向一維)，脈沖綜合等效于實現(xiàn)了對某方向目標反射的發(fā)射信號的匹配濾波，而和接收陣列沒有關(guān)系，如果對不同方向的目標進行匹配濾波，則其脈沖綜合權(quán)系數(shù)不同。而常規(guī)相控陣雷達中的脈沖壓縮也是匹配濾波，但是其權(quán)系數(shù)和目標方向無關(guān)，這是MIMO雷達與常規(guī)相控陣雷達的不同之處。

1.2.3 兩種處理流程的關(guān)系

雖然上述兩種處理流程看似有所不同，其實質(zhì)主要是各部分的先后次序不同，可以證明兩者是完全等價的，且在通常情況下第2種流程的運算量要遠小于第1種的運算量[4]，但是第2種流程中脈沖綜合的權(quán)系數(shù)與方向有關(guān)，當(dāng)同時形成多個方向的波束時權(quán)系數(shù)較多，需要的存貯量大。需要說明的是，第1種處理流程是MIMO雷達默認的處理流程，通過該流程也很容易對MIMO雷達形成的虛擬天線孔徑和孔徑擴展進行解釋，但是圖3中的處理流程只適用于正交波形的情況，當(dāng)發(fā)射波形非完全正交而是部分相關(guān)時，該處理流程需要對時域濾波器的個數(shù)和其權(quán)系數(shù)進行相應(yīng)的修改[5]。第2種處理流程則對正交和部分相關(guān)波形都適用。

1.3 MIMO雷達與相控陣雷達的關(guān)系

MIMO雷達的最大特點是采用了波形分集技術(shù)，表示波形分集的一個重要參數(shù)就是波形的相關(guān)系數(shù)，當(dāng)波形相關(guān)系數(shù)是0時代表波形相互正交，這就是正交波形MIMO雷達，當(dāng)波形相關(guān)系數(shù)是1時代表波形相干(即波形完全相同)，這就是相控陣雷達，當(dāng)波形相關(guān)系數(shù)是介于0和1之間時代表波形部分相關(guān)，這就是部分相關(guān)波形MIMO雷達，不同波形相關(guān)系數(shù)時的雷達類別如圖5所示。

圖5 不同波形相關(guān)系數(shù)時的雷達類別Fig．5 Category of radar for different correlation coefficient of waveforms

需要說明的是，如果把MIMO雷達定義為波形分集雷達的話，正交波形只是波形分集的一個特例，也是目前大家通常默認的MIMO雷達，實際上還存在大量的部分相關(guān)波形MIMO雷達。通常認為部分相關(guān)波形MIMO雷達指的是陣元級波形部分相關(guān)，后來又出現(xiàn)了子陣正交MIMO雷達的概念[6-10]，其實也算是部分相關(guān)波形MIMO雷達的1種，只不過子陣正交MIMO雷達可以借鑒現(xiàn)有的正交波形設(shè)計結(jié)果，其得到的發(fā)射能量覆蓋圖是一個寬波束，其波束寬度由子陣的陣元個數(shù)確定，而陣元級波形部分相關(guān)MIMO雷達則更靈活，通過波形設(shè)計其不僅可以得到寬波束的發(fā)射能量覆蓋圖(一般搜索時使用)，如圖6所示，也能得到同時多個獨立窄波束的發(fā)射能量覆蓋圖，且各波束的增益可以不同(一般搜索并跟蹤或者同時跟蹤多個目標時使用)，如圖7所示。

圖6 寬波束發(fā)射能量覆蓋圖 圖7 同時多個窄波束發(fā)射能量覆蓋圖Fig．6 Transmit energy distribution for wide beam Fig.7 Transmit energy distribution for multibeams

既然MIMO雷達的平臺可以產(chǎn)生波形分集，其也可以產(chǎn)生完全相同的波形，所以MIMO雷達應(yīng)該是相控陣雷達的一個擴展(即波形由完全相同擴展到波形不同)，相控陣雷達則是MIMO雷達的一個特例，或者說MIMO雷達可以完全兼容相控陣雷達，因為其平臺完全可以根據(jù)波形設(shè)置工作在相控陣雷達模式上。其實當(dāng)MIMO雷達工作在相控陣模式時，其完全變成了一個數(shù)字陣列雷達，數(shù)字陣列雷達的基本原理與相控陣雷達相同，只不過是每個發(fā)射天線陣元都對應(yīng)一個波形產(chǎn)生器，每個波形產(chǎn)生器都產(chǎn)生波形相同初相不同的波形，等效于用多個波形產(chǎn)生器代替了相控陣雷達中的移相器，其實多個波形產(chǎn)生器完全可以產(chǎn)生多個不同的波形，故從此角度說，數(shù)字陣列雷達沒有充分利用平臺存在的資源。需要強調(diào)的是，MIMO雷達通常發(fā)射寬波束或者同時多個獨立波束，這時其接收波束的覆蓋也需要和發(fā)射波束能量覆蓋相同，因此其往往需要同時形成多個接收波束，所以MIMO雷達一定是DBF體制的系統(tǒng)。

2 MIMO雷達特點

由MIMO雷達的基本原理可知，其各發(fā)射天線發(fā)射的波形可以獨立控制，可以根據(jù)不同應(yīng)用場景來實現(xiàn)同時滿足距離—速度分辨要求的時域波形和空間能量分布要求的發(fā)射方向圖，在接收端通過綜合利用發(fā)射波形特性及接收空域自由度來獲得良好的探測性能。相對于相控陣雷達，其主要優(yōu)勢在于：

(1)工作模式靈活。相控陣雷達是通過控制發(fā)射信號相位來實現(xiàn)發(fā)射信號的空間功率合成。MIMO雷達可以控制多個發(fā)射通道的發(fā)射信號波形，其可控自由度更多。MIMO雷達多個發(fā)射通道可以像相控陣雷達一樣發(fā)射相同的信號波形，形成一個窄的發(fā)射波束；也可以發(fā)射完全正交的信號波形，形成全空域、全向發(fā)射方向圖；也可以根據(jù)要求發(fā)射相關(guān)的信號波形，形成同時多個方向發(fā)射或展寬的賦形方向圖。窄波束發(fā)射可以用于單目標跟蹤，全向或?qū)挷ㄊl(fā)射可用于目標搜索，多方向發(fā)射可以用于多目標同時跟蹤。其帶來的顯著優(yōu)勢是可以綜合利用發(fā)射波形來解決時間和能量資源的矛盾，在多功能雷達中有廣闊的應(yīng)用前景。

(2)測角精度高。由前面的MIMO雷達第一種處理流程知道，通過波形分集可以得到虛擬天線孔徑，實現(xiàn)天線孔徑的擴展，從而提高測角精度。其實質(zhì)是MIMO雷達測角可以聯(lián)合使用發(fā)射和接收天線兩端處理，而傳統(tǒng)的相控陣雷達只能使用天線接收端處理，其測角精度只和接收天線孔徑有關(guān)，所以孔徑擴展的定義應(yīng)該是虛擬天線孔徑和接收天線孔徑的比值再減去1。MIMO雷達測角精度的提高或者天線孔徑的擴展和以下兩個因素有關(guān)：

(a)收發(fā)天線位置

不同的天線收發(fā)位置得到的虛擬天線孔徑不同，所帶來的天線孔徑擴展也不同。如圖8和圖9分別為正交波形MIMO雷達2發(fā)4收和4發(fā)4收的天線孔徑擴展示意圖?？梢钥闯觯瑘D8的天線孔徑擴展為1倍，其測角精度也會提高1倍，圖9的天線孔徑擴展看似接近1倍，其實其為大約40%，因為虛擬天線陣列的中間陣元幅度較大(由較多的陣元合成)、兩邊陣元幅度較小(由較少的陣元合成)，等效于進行了幅度加權(quán)，其孔徑會有一定損失，所以該收發(fā)結(jié)構(gòu)的正交MIMO雷達測角精度大約提升40%，這種結(jié)構(gòu)是一般雷達天線中常用的收發(fā)天線共用等間距線陣結(jié)構(gòu)，這也正是人們常說的MIMO雷達測角精度會提升40%的根源。

(b)發(fā)射波形的相關(guān)系數(shù)

理論研究表明[11]，在其他條件都相同的條件下，MIMO雷達的測角精度隨著其發(fā)射波形的相關(guān)系數(shù)改變而變化，在正交波形時其測角精度最高，等效于天線孔徑擴展最大，隨著波形相關(guān)系數(shù)的增加，測角精度會下降，在波形完全相關(guān)(即相干，也就是常規(guī)的相控陣雷達)時，測角精度最低，等效于沒有天線孔徑擴展。有關(guān)部分相關(guān)波形MIMO雷達的天線孔徑擴展不太好直接給出類似于正交波形時孔徑擴展的物理解釋，不過可以結(jié)合子陣正交MIMO雷達進行類似的物理解釋。

圖8 正交波形MIMO雷達2發(fā)4收天線孔徑擴展示意圖 圖9 正交波形MIMO雷達4發(fā)4收的天線孔徑擴展示意圖 Fig.8 Virtual array aperture for MIMO radar transmitting orthogonal waveforms(2transmit antennas and 4 receive antennas) Fig.9 Virtual array aperture for MIMO radar transmitting orthogonal waveforms(4 transmit antennas and 4 receive antennas)

(3)雜波抑制能力強，多普勒頻率分辨率高。強雜波背景下的目標探測是雷達技術(shù)面臨的重要課題。獲得良好的雜波抑制性能的基礎(chǔ)是長的波束駐留時間。傳統(tǒng)的窄波束發(fā)射體制受搜索空域、多目標跟蹤等因素限制，波束駐留時間有限，雜波抑制性能難以提高。MIMO雷達可以通過寬波束或同時多個窄波束發(fā)射，在保證搜索或跟蹤數(shù)據(jù)率條件下增加波束駐留時間，提升雜波抑制能力和多普勒頻率分辨率，在強雜波背景下慢速目標探測方面具有良好應(yīng)用前景。

(4)數(shù)據(jù)率高。MIMO雷達在正交發(fā)射波形模式下，可以通過同時多波束接收實現(xiàn)長時間波束駐留，在保證搜索空域和探測威力的條件下可以通過滑窗處理獲得更高的數(shù)據(jù)率，可以顯著提升雷達對機動目標跟蹤性能。

(5)多目標跟蹤能力強。傳統(tǒng)相控陣雷達對多目標跟蹤是分時實現(xiàn)，MIMO雷達可以實現(xiàn)同時多目標跟蹤，即同時發(fā)射多個窄波束，在不同目標方向上根據(jù)需要配置發(fā)射增益，且各個發(fā)射波束方向的時域波形可以實現(xiàn)正交，可以有效解決多目標跟蹤中的資源配置、跟蹤精度和時間能量沖突等問題。

(6)抗干擾能力強。傳統(tǒng)相控陣雷達發(fā)射的波形各向同性，即各個方向上的時域波形相同。MIMO雷達各發(fā)射天線的時域波形不同，因此在不同方向上空間合成的時域波形各不相同。對方的干擾機在副瓣方向采用儲頻轉(zhuǎn)發(fā)方式進行欺騙式干擾，干擾信號和主瓣方向上的目標回波波形不同，通過匹配濾波處理以后對干擾具有一定的抑制作用。如果采用被動定位方法來對MIMO雷達進行定位，由于MIMO雷達不同方向上的發(fā)射信號是不同的，對其進行定位較為困難。因此，MIMO雷達具有更強的抗偵察定位和抗干擾的能力。圖10～12分別為同一MIMO雷達在方向為-10°,0°和20°處的合成信號，可以看出三者的現(xiàn)狀差別很大。

圖10 MIMO雷達-10°方向時域波形 圖11 MIMO雷達0°方向時域波形 Fig．10 Synthetic waveform for MIMO radar in -10° Fig. 11 Synthetic waveform for MIMO radar in 0°

圖12 MIMO雷達20°方向時域波形Fig．12 Synthetic waveform for MIMO radar in 20°

(7)能量利用率高。雷達在對信號進行接收時，僅對期望探測空域范圍內(nèi)的回波信號進行接收，而范圍外的回波信號被認為是干擾。因此可以認為僅落在接收空域范圍內(nèi)的發(fā)射能量有效，而副瓣內(nèi)的能量都被浪費了。傳統(tǒng)相控陣雷達往往發(fā)射高增益窄波束，當(dāng)需要對大空域范圍進行搜索時，需要分時進行，這樣就存在多次副瓣能量浪費。而MIMO雷達通過對發(fā)射波形設(shè)計可以發(fā)射寬波束同時對大空域范圍進行同時搜索，副瓣能量浪費少，因此具有更高的能量利用率。尤其是天線陣列是稀布陣列時，波束的副瓣大，能量浪費更嚴重，MIMO雷達的優(yōu)勢更明顯。MIMO雷達和相控陣雷達比，其主要不足之處如下：

(a)運算量大。由于MIMO雷達往往同時形成的波束數(shù)目多，且波束駐留時間長，積累時間長，運算量大。

(b)不適合做單目標跟蹤。MIMO雷達發(fā)射能量覆蓋寬度寬，增益有損失，在進行單目標跟蹤時只有目標方向附近的發(fā)射波束能量有用，其他地方的能量沒有用，造成發(fā)射波束能量浪費嚴重，不適合做單目標跟蹤使用。

(c)脈沖綜合距離副瓣高，容易帶來目標之間的互相影響。把脈沖壓縮變成了時空匹配濾波處理，其輸出距離副瓣高，且不能通過加窗的方法降低距離副瓣，會造成距離不同但是速度相同的目標之間的影響，尤其是大目標距離副瓣會對小目標檢測有影響。

(d)目前研究的波形對多普勒頻率敏感，不利于高速目標探測。由于MIMO雷達采用波形分集技術(shù)，為了設(shè)計MIMO雷達波形方便，目前大都采用相位編碼波形，這會把相位編碼波形的固有缺陷帶進來，即波形對多普勒頻率敏感，尤其是波形時寬寬或目標速度較高時。

3 MIMO雷達研究現(xiàn)狀

MIMO雷達的概念于2003年被美國林肯實驗室提出后，其迅速成為了雷達領(lǐng)域研究的熱點，每年的國際會議和期刊都有不少關(guān)于MIMO雷達的論文發(fā)表[2-33]。在2009年，Li J出版了一本《MIMO雷達信號處理》的專著[3]，在2006年，Bekkerman等結(jié)合陣列信號處理技術(shù)對MIMO雷達的性能進行了深入的分析[5]，在2004年美國林肯實驗室公布了該實驗室設(shè)計的L波段和X波段兩個MIMO雷達實驗系統(tǒng)的實驗結(jié)果[12]，在2007年Li J等發(fā)表了一篇關(guān)于MIMO雷達的綜述性文章[13]，對比了MIMO雷達和常規(guī)相控陣列雷達的性能，。在最近幾年的會議和期刊上都有大量MIMO雷達的論文發(fā)表。目前國際上對MIMO雷達的研究熱度有增無減。在如ICASSP,Asilomar和雷達會議等許多著名的國際會議中，都設(shè)有MIMO雷達的專場討論會。

根據(jù)現(xiàn)有的研究狀況分析，國內(nèi)外雷達學(xué)者對MIMO雷達的研究主要分為兩個方面：(1)MIMO雷達自身技術(shù)方面，主要從系統(tǒng)總體(包含子陣正交MIMO雷達)、波形設(shè)計、信號處理、參數(shù)估計以及陣列誤差校正等方面對其進行了廣泛的研究[14-23]；(2)結(jié)合具體應(yīng)用背景的MIMO雷達相關(guān)技術(shù)方面，主要包含MIMO-SAR、MIMO-STAP、雙基地MIMO雷達(主要是DOD和DOA估計)以及天波MIMO雷達等[24-30]。目前國內(nèi)外對MIMO雷達的研究存在“五多五少”的特點：(1)理論問題研究得多，實際工程應(yīng)用問題研究得少；(2)正交波形研究得多，部分相關(guān)波形研究得少；(3)相位編碼波形研究得多，其他編碼波形研究得少；(4)一維線陣研究得多，二維平面陣研究得少；(5)優(yōu)點討論得多，缺點討論得少。在2009年的IEEE AES Magazine期刊上[31]，雷聲公司發(fā)出了不同的聲音，他們從工程角度指出關(guān)于MIMO雷達的現(xiàn)有研究成果大部分是無用的，這也從側(cè)面反映了目前對MIMO雷達的研究太專注理論而與實際應(yīng)用脫節(jié)的現(xiàn)狀。

雖然MIMO雷達的概念是近幾年才提出的，但在此之前國際上早已有對這類技術(shù)的研究，例如在20世紀70年代末法國國家宇航研究局與湯姆遜-CSF公司研制的綜合脈沖與孔徑雷達(Synthetic impulse and aperture radar,SIAR)就是采用了MIMO雷達的這種多輸入多輸出思想[34]，并在實驗系統(tǒng)上得到驗證。該雷達采用正交波形MIMO的思想，稀布圓形陣列的發(fā)射天線設(shè)計，通過各個陣元能全向發(fā)射正交的頻率編碼信號，以實現(xiàn)各個天線單元對空間的全向照射，在接收端通過直達波與目標回波進行相關(guān)接收，實現(xiàn)對發(fā)射信號的綜合脈沖處理，以形成相干接收與發(fā)射波束。

4 MIMO雷達應(yīng)用前景及技術(shù)發(fā)展分析

MIMO雷達的理論研究已有較好的研究基礎(chǔ)，結(jié)合具體應(yīng)用背景開展MIMO雷達的應(yīng)用研究是目前需要研究的重點。根據(jù)前面的討論可知，MIMO雷達的實現(xiàn)平臺就是數(shù)字陣列雷達，所以目前MIMO雷達已經(jīng)完全具備了良好的工程應(yīng)用條件。

4.1 MIMO雷達應(yīng)用前景分析

和相控陣雷達相比，MIMO雷達并不全是優(yōu)勢，也有它的劣勢，在工程應(yīng)用時應(yīng)該把它用到適當(dāng)?shù)膱龊?，使其“揚長避短”。根據(jù)前面對MIMO雷達的優(yōu)劣勢分析，MIMO雷達在以下幾個方面具有良好的應(yīng)用前景：

(1)在天線孔徑有限情況下希望盡量提高測角精度的雷達系統(tǒng)。米波雷達和天波(地波)超視距雷達由于波長長，天線孔徑有限，波束寬，測角精度差，如果采用MIMO雷達體制可以在相同的天線孔徑條件下進一步提升測角精度；機載預(yù)警雷達可以在相同的天線垂直孔徑條件下進一步提高測高精度。

(2)能夠充分利用MIMO雷達可控自由度多的雷達系統(tǒng)。天波超視距雷達可以利用MIMO雷達收發(fā)聯(lián)合處理自由度多的特點，通過自適應(yīng)波束形成(尤其是發(fā)射端的波束形成)抑制其他電離層折射回波對目標檢測的影響；機載預(yù)警雷達可以利用收發(fā)聯(lián)合自適應(yīng)處理提升雜波抑制性能；多功能雷達和認知雷達可以充分利用MIMO雷達發(fā)射端多自由度可控形成需要的發(fā)射波束覆蓋提升雷達系統(tǒng)性能[35]。

(3)低空探測和低慢小目標探測雷達系統(tǒng)，可以根據(jù)需要通過發(fā)射波形設(shè)計得到適當(dāng)寬度的發(fā)射波束覆蓋，增加脈沖積累時間，提高雜波抑制性能和對目標的多普勒頻率分辨率，從而提升雷達的低空檢測和對低慢小目標探測性能。需要說明的是，對于相控陣雷達來說，也可以通過相位加權(quán)得到寬的發(fā)射波束覆蓋，同樣具有良好的低空探測和低慢小目標探測，但是采用MIMO雷達體制會獲得更高的測角精度且具有更強的抗偵察性能。

(4)天線采用稀布陣列的雷達系統(tǒng)。這時采用MIMO雷達體制，其能量利用率更高。

4.2 MIMO雷達下一步技術(shù)發(fā)展分析

目前MIMO雷達已經(jīng)完全具備了良好的工程應(yīng)用條件，下一步的發(fā)展除了本身理論的進一步完善之外，應(yīng)該以克服在實際工程應(yīng)用中的問題為主，主要包含以下幾個方面：

(1)部分相關(guān)波形MIMO雷達相關(guān)理論和信號處理方法的進一步完善。其實部分相關(guān)波形MIMO雷達應(yīng)該是在實際應(yīng)用中的大部分情況，正交波形MIMO雷達只是少數(shù)情況，而對于部分相關(guān)波形MIMO雷達的有關(guān)理論分析和信號處理方法還有待于進一步細化和深入。

(2)雙基地MIMO雷達的工程應(yīng)用問題。目前對雙基地MIMO雷達的研究主要是測角方面，即DOD和DOA估計，但是DOD和DOA估計出來之后怎么應(yīng)用方面還沒有相關(guān)的研究，且雙基地雷達采用MIMO體制時會急劇增加處理和檢測的運算量，這個問題也需要解決。

(3)MIMO雷達快速發(fā)射波形優(yōu)化設(shè)計。在認知雷達和多功能雷達系統(tǒng)中，發(fā)射波束覆蓋往往需要根據(jù)跟蹤目標情況實時調(diào)整，這就需要快速實時設(shè)計發(fā)射波形，這方面是MIMO雷達下一步研究的一個重點方向。

(4)對多普勒頻率穩(wěn)健的MIMO雷達波形設(shè)計。目前MIMO雷達的波形大都采用相位編碼波形，該波形對多普勒頻率敏感，尤其是波形時寬寬或目標速度較高時，所以開展對多普勒頻率穩(wěn)健的MIMO雷達波形設(shè)計也是一個重要研究方向。

(5)低復(fù)雜度信號處理算法。由于MIMO雷達往往同時形成的波束數(shù)目多，且波束駐留時間長，積累時間長，運算量大，需要一些快速的信號處理算法。目前的信號處理器件發(fā)展日新月異，其計算能力在不停地快速提升，這為MIMO雷達工程應(yīng)用提供了有利的條件。

5 結(jié)束語

MIMO雷達是基于數(shù)字陣列雷達平臺并采用波形分集的一種新體制雷達,是相控陣雷達的擴展，具有可控自由度多、發(fā)射波束設(shè)置靈活、測角精度高以及抗干擾能力強等優(yōu)點，在軍事和民用領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景，是雷達下一步發(fā)展的重要方向。經(jīng)過十幾年的研究，MIMO雷達目前已進入工程實用階段。但是作為一種新型的雷達體制, 其應(yīng)用仍需要大力推進,其性能也值得深入挖掘。

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