MIMO雷达信号模型及处理方法研究

黄志忠

（桂林航天工业学院 广西 桂林 541004）

1 引言

目标的RCS大小直接影响雷达的检测性能，由其电磁散射特性决定，与物理尺寸没有直接的关系。在MIMO雷达的研究中，假设一个目标由许多散射体构成，目标的回波信号是每个独立散射体反射的叠加效果，彼此之间相互独立。

MIMO雷达发射天线由许多单元组成，每个单元从不同角度或用不同频率信号观测目标，在接收端可以将这些信号分离[1]。如果它们的统计特性彼此相互独立，那么它们同时波动的概率很小，将这些信号联合处理的信噪比近似为固定值，可以得到所谓的空间或频率分集增益。

本文首先讨论了两种MIMO雷达的信号模型及其信号处理方法，然后总结它们的特点和应用优势，为MIMO雷达探测隐身目标和弱小目标方法提供理论依据。

2 信号模型

2.1 统计MIMO雷达信号模型

雷达的天线发射阵有M个独立单元，接收天线阵有N个独立单元，目标模型矩阵表示为：

不失一般性，目标、发射阵、接收阵如图1所示。M个独立信号照射到Q个散射体上，入射角度表示为，。因为目标尺寸远远小于探测距离，满足信号到达目标的角度与散射体的独立性即与无关。发射信号到达目标的导向矢量可以表示为

图1 目标模型

目标回波信号以θ角入射到阵列各单元的相移矢量为

2.2 相参MIMO雷达信号模型

同上，设发射天线阵由M个独立单元组成，接收天线由N个独立单元组成。令为第个发射天线单元发射的信号，令θ为目标的方位和距离信息参数，则目标位置的基带信号可以表示为：

其中K是由目标反射到雷达接收机的信号个数，是这些目标回波的复振幅相对雷达散射截面比例，是目标位置参数，是干扰加噪声项。

3 信号处理方法

3.1 统计MIMO雷达信号处理方法

统计MIMO雷达利用空间分集特性，信号处理是不进行相参积累，利用广义似然检测（GLRT）目标和估计目标的角度[3]。因为MIMO雷达有MN个观测通道，所以MIMO阵列可区分的目标远远大于常规阵列。实际上，统计MIMO雷达发射波形空间不相关，无法形成发射波束，但是，通过在接收端分离各通道的发射信号，可以进行脉冲的非相参积累[4]，统计MIMO雷达检测器包括广义似然比检测器在内有四种检测器。

（1）广义似然比检测器，其处理方法是对数据样本进行非相参处理，即通对所有接收通道的回波信号进行联合处理，用最大似然比（LRT）对目标的有无进行判断，决策判据表示为：

（2）非相参积累检测器，其处理方法是将分离后的M×N个通道的信号累加后与门限比较，表示为：

（3）经过相位校正后的积累检测器，通过预处理，收发相位进行校正，然后相参叠加，具体表示为：

（4）独立通道两级门限检测器，其处理方法是对分离的M个发射通道信号独立进行CFAR检测作为一级门限检测，然后，对各个通道同一个分辨单元的检测结果，再进行二进制积累二级门限检测。

3.2 相参MIMO雷达信号处理方法

以FMCW体制为例，N个发射通道发射正交FMCW信号，M个接收机接收到的回波信号，在中频经过收发同步校准后，通过AD采样后进行M个接收通道DBF处理，然后去斜后低通滤波，分离出N个发射通道信号，每个通道进行距离FFT处理进行粗分辨率的距离检测，然后进行发射脉冲和孔径综合，形成发射窄波束和距离高分辨单元。最后，进行常规的非相参积累和CFAR检测。

4 结语

本文主要从理论上分析了MIMO雷达信号模型和信号处理方法，同时总结了其应用优势。理论证明MIMO雷达如何去克服目标RCS闪烁的问题，本文的分析假设具有一般性，能够说明研究MIMO雷达在新领域的应用，同时为MIMO雷达的发展提供一定的参考。