哈尔滨工业大学工学博士学位论文 1.2.1 MIMO雷达研究现状
20世纪70年代，法国航天局为了解决隐身目标探测提出了综合脉冲孔径雷达 (SIAR) [3]。SIAR为了获取较高的角度分辨力，系统一般采用稀疏布阵来满足雷达系统对大孔径尺寸的要求，而发射天线采用全向辐射能量，因此，SIAR可以避免反辐射导弹精确打击。除了阵列布放形式与一般相控阵雷达相异外，SIAR工作方式也有其自身的特殊性，发射天线辐射的信号各不相同，通常采用频域正交的发射模式。SIAR已具有波形分集的思想，可以看成MIMO雷达的起源。一般相控阵雷达为MIMO雷达中特例，MIMO雷达是传统雷达技术向复杂系统的扩展[46]，可以看成广义的雷达系统， 1.2.1.1 MIMO雷达定义及分类
近几年提出MIMO体制雷达形式上区别于SIAR [1,4]，主要思想是通过大间隔布放传感器，多方向发射接收回波信号，对抗单基地雷达无法克服的RCS闪烁。该体制采用全向的发射天线，每个发射天线发射彼此正交信号。将不同回波能量在检测前合成，以获得不同角度回波能量累积，统计意义上增加系统检测概率，将该形式MIMO雷达系统称为分布式MIMO雷达或统计MIMO雷达。分布式MIMO雷达与传统的相控阵雷达相比主要利用分集的思想，提高雷达检测性能和分辨力。而分布式MIMO雷达与多基雷达相比，区别在于多基地雷达是分别检测，将检测的结果进行融合处理，而MIMO雷达是将回波数据送到中心处理机，将所有节点回波进行信号层融合。
目前，常见MIMO雷达模型可以归类为两种基本模型：由林肯实验室提出的收发传感器集中式MIMO模型[7]和贝尔实验室等人提出的收发全分集分布式MIMO模型[1]。
一般的，雷达目标用RCS来表征目标随着姿态角度和工作频率特性的函数，该参数会随着自变量变化发生剧烈起伏。传统雷达单方向照射目标时，RCS 起伏会导致系统探测性能的大幅降低，对于微波雷达而言，当目标方位与视线角度微弱变化可造成反射能量 10dB之多起伏，一般相控阵雷达无法克服单方向RCS产生的损失。分布式MIMO 雷达克服目标 RCS 起伏方法是发射不同的信号多角度照射收集目标回波能量。分布式系统通过对独立衰落回波信号的集中综合处理，使得接收端来目标回波总能量近似恒定，这样统计意义可以提高MIMO雷达探测性能。
分布式MIMO模型又分为两种形式：基于包络检波后不同角度回波能量合成后判决，称为非相干MIMO雷达；保留相位信息将不同角度回波能量合成后进行
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第1章 绪论 检测，称为相干MIMO雷达[5]。
另一种MIMO雷达采用集中式布放发射天线，不同发射天线发射彼此正交波形，且采用全向发射模式（例如：SIAR，综合脉冲孔径雷达），因此该模型具有低截获特性(LPI，low Probability of Intercept) ，接收端通过多波形综合和长时间的相干积累实现回波能量的累积来提高信噪比。而常规雷达通过高功率电磁辐射实现更大的威力范围，敌方的电子侦察设备极易发现我方雷达的位置，通过反辐射导弹对我方电子装备进行攻击。基于以上电子对抗的实际需求，同时保证不降低系统性能，提高反侦察的能力。集中MIMO模型不仅采用波形分集技术，同时接收端利用虚拟阵列技术扩展阵列孔径来改善空域分辨力。下面具体介绍以上两种形式MIMO雷达模型形式，以及典型的关键技术及研究进展。
1998年提出Ubiquitous雷达与SIAR类似，采用多部全向发射天线，接收阵采用多波束覆盖整个探测区域，采用发射接收联合处理技术提高空域处理增益，不同发射阵发射波形彼此正交，在接收端对发射波形进行匹配滤波，通过接收端将多波形分集的能量综合获取增益，以提高雷达的作用距离。而传统微波雷达系统由于不能进行长时间脉冲积累，因此不利于快速机动目标探测，参数估计性能会显著下降[8]。MIMO技术可以很好解决该问题，显著提高了雷达关于杂波抑制、抗干扰、LPI等方面性能，相比传统雷达具有明显优势[7]。
在阵列结构上，林肯实验室采用技术方案与一般的MIMO通信的形式不同，但该模型可以较好的解决目前雷达面临的抗截获、弱目标以及低速目标检测问题，从实际系统搭建来看，比较容易将现有雷达系统改造为MIMO体制，集中MIMO方案更具有实用意义。
贝尔实验室提出的收发全分集方案与通信MIMO技术有类似的构建形式，通过增加阵元间距，使得各个不同发射接收回波彼此独立，通过阵列布放获得空间分集增益。在以下方面取得了有价值的研究成果：通过理论和计算证明分布式MIMO在信号检测、参数估计、空间分辨力比传统相控阵雷达具有突出优势。但是该模型的理论创新远大于实际应用，就目前条件来看搭建实际系统，还需要大量的研究和论证。包括各节点之间的数据通信，相位校正同步，以及分布式系统的信号域融合，都是亟待解决的棘手问题。现有的雷达分集技术都可以归为以上两种模型，或者以上模型的择中组合。
贝尔实验室等人提出统计MIMO雷达(S-MIMO radar)。当回波落入RCS极小点时，将严重影响常规雷达的探测性能。为保证雷达目标不同方向接收散射回波不相关，有效将多个信道雷达回波信号叠加。分布式MIMO雷达传感器布放与目标特性相关，通过一定间距的布放发射接收传感器，以保证接收信号是相互独立
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哈尔滨工业大学工学博士学位论文 的接收和分离。
图1-1 某目标角度RCS函数 Fig. 1-1 Backscatter as function of azimuth
文献[4]给出分布式MIMO模型解相关条件（如图1-2），该条件保证不同方向照射接收的回波信号不相关，即保证不同传感器接收回波幅度不同时落入极小值。设两个发射天线的坐标为(xtk,ytk)、(xti,yti)。目标沿着x、y方向的尺度为Dx、Dy。两个接收天线坐标为(xrl,yrl)、(xrj,yrj)。定义发射天线Tk到目标X0距离为
d(Tk,X0)，接收天线Rl到目标X0距离为d(Rl,X0)。如果满足以下四个条件：
xtkxti???d(Tk,X0)d(Ti,X0)Dxytkyti???d(Tk,X0)d(Ti,X0)Dyxrjxrl???d(Rl,X0)d(Rj,X0)Dxyrjyrl???d(Rl,X0)d(Rj,X0)Dy
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第1章 绪论
图1-2 发射接收传感器解相关
Fig. 1-2 Trasimitter and Reciever Sensor Decorrelate
其中，?为载频波长，满足以上条件第lk信道与第ji信道不相关。相反不满足以上条件，则两接收传感器的回波响应无法解相关。即传感器接收为相关接收。
对于复杂的扩展目标，大间隔布放天线可以充分利用角度分集，而对于传统相控阵雷达则没有空间分集的优势。相控阵体制利用阵元相干技术可以将能量集中聚焦于目标，而分布式MIMO雷达采用全向辐射能量，与传统相控阵雷达相比损失的空间处理增益需要通过时间补偿达到相同的增益。而稀疏的分布形式比相控阵雷达具有更高的分辨能力[5]。
该解相干条件对于高频雷达系统传感器布放较难满足，设高频雷达工作频率为10MHz，波长为30m，设目标横向纵向长度为100m，目标到两个传感器200km，则可以计算传感器横向纵向的解相干距离为60km。当目标距离传感器越远时传感器距离解相干距离越大。
大间隔MIMO雷达(S-MIMO)模型具备以下几个特点：1.满足阵列不相关布放条件2.发射天线全向辐射3.不同发射波形彼此正交4.数据处理采用集中处理，即将不同接收节点回波数据做信号层融合，做出全局决策。
集中式MIMO雷达形式上与传统相控阵雷达形式上类似，与之区别之处集中MIMO模型采用多波形发射分集技术，即不同发射天线发射不相关或部分相关特性波形，采用发射接收联合的空域处理。
2003年，美国MIT林肯实验室的学者Rabideau和Parker提出MIMO雷达概念[8]。该雷达阵列形式为集中式布放，两位学者着重分析了该模型的宽波束搜索、LPI性能、杂波抑制性能等方面，并搭建了L波段的实验系统。同年林肯实验室两位学者Bliss和Forsythe对不同阵列形式下MIMO雷达模型的自由度、分辨力性能进行了系统分析[25,29,30]，将空时自适应(STAP)技术引入探地雷达(GMTI)并进行了
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哈尔滨工业大学工学博士学位论文 深入研究。Li Jian对集中式MIMO模型主要包括以下内容：1.参数辨识的个数2.自适应参数估计3.发射波束控制，三个方面进行深入研究[23,32,33,34]。
除以上代表性研究之外，基于L、X波段的MIMO实验系统，Robey低副瓣的阵列综合技术[10]。学者Bekkerman、Tabrikian针对发射分集MIMO雷达模型情况下，系统的威力范围、波束图性能和目标最大检测数目等问题进行了系统研究
[11,24,31]
，并与传统雷达关于目标检测、波达角估计和卡拉美罗界等方面的性能进行
深入的对比。学者Sammartino的代表性研究是关于目标RCS对MIMO雷达检测性能的分析。牛津大学学者Khan通过建立实验系统验证收发全分集MIMO模型下，基于目标为球状假设条件，深入分析系统回波SNR改善情况。统计MIMO模型下，新泽西技术研究所学者Fishler，Blum等人分析了DOA估计方差的克拉美罗界，对比传统雷达角度分集情况下检测概率的改善情况。 1.2.1.2 MIMO雷达参数估计
贝尔实验室提出的收发全分集模型，有很多问题亟待研究和探讨。其中关键问题包括系统总体性能精确评估、分布式系统的同步接收与全局检测、信道多参数估计、实验系统搭建等问题，分布式 MIMO雷达还有很多亟待解决的问题，距离实际应用还有很长的距离。国内外学者研究分布式MIMO目标检测问题，对于瑞利起伏目标，分布式MIMO雷达Gauss杂波背景对信噪比大小比较敏感，而相对于一般相控阵雷达SNR影响则不那么敏感。MIMO雷达信噪比不低于10dB时其检测性能要优于相控阵检测性能，较大信噪比情况下性能优势明显；相控阵雷达信噪比低于6dB情况下性能优于分布式MIMO雷达模型。产生以上结果的原因当回波RCS较大时，即信噪比较高情况，噪声参数对目标检测并不敏感，因此该情况下杂波与目标的散射特性对系统检测性能有较大影响。而MIMO雷达采取多个独立信道，通过综合不同通道的回波能量的方式减少单一通道的回波能量的随机起伏，有效提高目标检测性能。而相控阵雷达单方向接收回波，则无法克服目标闪烁，当回波能量较小时，噪声对目标检测影响变得极其敏感。MIMO雷达利用多通道目标来对抗RCS起伏，而噪声功率是各个通道噪声功率总和，因此集中处理的检测准则对MIMO雷达检测性能影响较大 [13,15,16]。
对于动目标的观测，分布式MIMO模型从多个角度获取多普勒信息，可减少单方向照射径向速度较小或则盲速情况发生，大大提高杂波背景动目标检测性能。与多基地雷达相比，多波形接收的联合处理有效改善多普勒频移的估计精度。Alexander M，Rick S.Blum给出300km/h动目标不同信噪比情况下ROC曲线，并与传统雷达相比较，相同虚警概率情况下，MIMO雷达模型的检测概率大大优于
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