MIMO（多输入多输出）雷达的优势和应用

Tom Chen

多输入多输出（MultipleInput Multiple Output, MIMO）原本是控制系统中的一个概念，后被用到了移动通信系统，由于雷达回波信号具有某些与移动通信信道相似的特性，MIMO自然被引申应用于雷达信号接收和目标探测和雷达成像等问题。今天我们简单介绍下MIMO技术的优势以及在雷达中的应用。

MIMO雷达采用多个发射天线，同时发射相互正交的信号，对目标进行照射，然后多个接收天线接收目标回波信号并对回波进行处理，提取目标的空间位置和运动状态等信息。

MIMO的优势

• 雷达检测目标的能力和可靠性；
  
• 对目标参数估计的精度；
  
• 对多目标的分辨能力；
  
• 目标参数估计的模糊性。
  
  

MIMO雷达多信号之间可以是时域、空域或极化域分离的，具有处理维数更高、收发孔径利用更充分、角分辨率更高的优点。

MIMO雷达利用目标散射的空间分集引起的回波信号去相关特性，使回波平均接收能量近似于恒定(对空中目标的RCS进行平滑)，改善目标RCS起伏、提高检测性能和目标的空间分辨力。

MIMO雷达全向发射相互正交的信号，使得多发射波形在空间无法进行波束形成，这样发射波束主瓣增益将降低到原来的1/M，同时每个子阵发射功率变为原发射总功率的1/M，在距离R处的功率密度仅为原来的1/M，考虑功率衰减与距离平方的反比关系，雷达的抗信号截获性能明显提高。

MIMO雷达接收端的每个阵元接收所有发射信号并通过匹配滤波组分选得到多路回波，从而引入了远多于实际物理阵元数目的观测通道和自由度，与传统的单/多基地或相控阵雷达相比极大地提高了雷达的总体性能。

空间并存的多观测通道使得MIMO雷达能够实时采集携带有目标不同幅度、时延或相位信息的回波数据，这种并行多通道获取信息的能力正是MIMO雷达的根本优势所在。

MIMO雷达与传统阵列雷达的差别

阵列雷达系统是由许多相近空间中能发射或接收信号的无方向性天线组成，发射阵列或接收阵列阵元的信号间有高度的相关性，能综合/同时形成多个波束并且可同时扫描整个空域，但性能受到目标起伏的限制。目标在距离和方位的任何微小变化都能导致目标反射能量大幅增加或减少，从而导致可能无法检测目标。

MIMO统计雷达将发射机和接收机传感器分开，发射机传感器阵列各个天线间距非常大，以至于对空间目标形成角展宽(空间分集)；接收机传感器阵列的各个天线间距紧密，进行测向。每个收发天线对之间形成一个MIMO子信道，不同的发射/接收通道之间(即MIMO相互子通道之间)信号去相关，回波的平均接收能量近似为常数，即近似RCS基本不变。

MIMO阵列对地观测成像雷达（MIMO-SAR）

MIMO雷达技术与合成孔径雷达(SAR)系统结合的MIMO-SAR雷达可解决的问题：

传统SAR中脉冲重复频率(PRF)在满足方位向高分辨与大测绘带之间的矛盾。大测绘带宽要求低的PRF来防止距离向模糊，而方位向高分辨要求高的PRF以避免多普勒模糊；而MIMO技术应用于SAR，能够实现以低的PRF同时满足大测绘带和方位向无多普勒模糊出现。

由于MIMO雷达具有并行多通道空间采样能力，MIMO-SAR雷达一次脉冲发射就能够得到MN路方位向空间采样数据。如果这MN个通道数据在方位向是均匀不重叠分布的，那么MIMO-SAR雷达的脉冲重复频率就可以降低为原有SAR 系统的1/ ( MN)。

MIMO阵列的三维成像

目前三维SAR可以通过二维SAR加上干涉法测高来完成，而利用较少天线数目的MIMO面阵加上SAR来进行三维成像也将是一个非常有吸引力的研究方向。