第1章 绪论 相同条件相控阵雷达[4]。
Rick S.Blum同时给出了目标高分辨分析，通过相关模糊函数二维空间分布，证明大间隔MIMO系统空间分辨力不受发射信号带宽的限制，而与发射载频的波长有关。由于发射接收间距较大，目标二维空间分布有较多栅瓣产生。一般传统雷达为单方向观测，得到目标一维距离像，对于分布式多角度观测系统则得到目标二维空间分布[1,4]。
集中式MIMO雷达参数估计典型研究包括：参数辨识个数的研究，Li Jian指出集中式MIMO雷达空间分辨目标个数为传统相控阵雷达的M(发射天线个数)倍，当阵列没有完全最大虚拟孔径情况下，空间分辨目标个数为传统相控阵雷达的2倍；Li Jian对自适应技术在集中放式MIMO雷达进行了研究，对现有的算法在MIMO情况下进行了研究，包括Capon、APES等算法角度谱估计，显示了MIMO雷达的优势[2,12,19,20]。 1.2.1.3 MIMO雷达波形设计
MIMO体制雷达关键技术是采用波形分集，波形分集一般采用时域分集或频域分集技术。这样接收端可以利用发射波形的差异，通过匹配滤波或滤波器将不同发射波形的混合回波分离。
所有MIMO雷达都涉及波形分集问题，正交波形是MIMO雷达实现的关键所在，关于发射信号正交优化方面研究主要包括：Deng应用模拟退火算法对相位和频率编码波形进行正交化设计，其适应度函数是关于互相关函数副瓣和自相关函数约束，而设计的相位编码信号有多普勒频率敏感的缺陷[59,60]。学者Khan通过正交矩阵约束方法对多普勒引起的失配问题进行了改进算法研究。学者Yang开创性的基于信息论的角度，通过约束互信息最小均方误差优化设计正交波形[17]，理论证明该算法正交设计具有明显优势。Li Jian对MIMO雷达距离压缩和波形优化进行了讨论，包括小CRB矩阵的迹，最大特征准则下优化波形，研究结果证明该方法存在干扰情况下有较好性能[18,20,62,63]。Lincoln实验室学者Bliss、Forsythe做了关于杂波背景下雷达波形设计研究，以及DOA估计的特殊波形设计研究。
西电陈伯孝在SIAR体制下，采用多天线发射多载频信号分集发射，接收端采用频谱拼接技术，将发射的小带宽信号拼接较大带宽信号，大大提高系统的距离分辨力。并系统分析了多载频系统距离分辨力，动目标情况下多载频带宽对积累周期的影响，并提出多频相参综合产生的频谱泄露问题相应的改进算法[3]。 1.2.1.4 MIMO雷达虚拟阵列
MIMO虚拟阵列是基于集中式MIMO雷达关键技术，包括以下三方面的研究：
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哈尔滨工业大学工学博士学位论文 1发射波束图控制2基于发射-接收联合处理空域处理3基于虚拟阵列的空时自适应处理。
MIMO雷达也可以采用部分相关波形任意形状波束图优化，华盛顿大学通过选择适当的信号相关矩阵来逼近要实现的发射方向图。Li Jian对发射波束进行了研究，增加发射波形自相关矩阵约束，控制空间辐射功率，使得发射波束与期望发射波束波束图一致；最小化探测信号对于不同目标位置互相关性。研究结果表明MIMO发射波束与传统发射波束相比有更多的自由度，对于给定期望发射波束，MIMO发射波束与一般相控阵相比有更低的误差[6]。
Ryan J.Riddolls对发射接收进行空域联合处理，文中采用MVDR算法对SCR改善因子进行分析，对于传统接收阵列杂波改善因子为GR?2(N?1)(1??)，其中
?表示相邻单元的相关系数。对于MIMO体制SCR改善因子变为GC?GTGR，其中GT?2(M?1)(1??)为发射阵列改善因子。
对于MIMO模型下，多个正交波形的使用使得杂波子空间的维数增加。Chen，Vaidyanathan利用阵列的几何结构，使用扁长椭球函数表示杂波子空间，有效降低杂波子空间维数[50]。采用正交信号的MIMO空时处理的自由度显著增大，提高了系统对慢速运动目标检测灵敏度及空间分辨力。传统STAP处理中，杂波子空间维数较小，Klemm指出杂波子空间的秩为N?Nc?1，其中N表示接收阵元数目，Nc为相干处理间隔的脉冲数目。
1.2.2 MIMO高频雷达研究现状
在国内，目前也开始对MIMO雷达进行研究，1994年起，西安电子科技大学陈伯孝对米波波段SIAR雷达应用进行了大量有价值研究，通过构建试验系统获取大量有价值的科研成果。2003年开始，我国对低截获相控阵雷达进行了研究，通过数字技术实现了窄带波束形成。目前我国高校及科研机构正在大量深入开展MIMO雷达的理论研究和实际系统的搭建。
MIMO雷达体制结合了信号波形分集和阵列技术，可以较好弥补单基地高频雷达性能。与微波雷达相比高频地波雷达更适于MIMO体制的应用(表-1,2)，通常高频雷达发射波束通常较宽，增益低接近于全向辐射。大间隔布放传感器多方向照射目标，可以改善高频目标RCS闪烁，多角度多频率波形综合处理使得目标回波能量近似恒定，不仅提高了系统距离和角度分辨能力，更大大提高系统检测性能[40]。
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第1章 绪论 表1-1 MIMO雷达与MIMO通信比较[40]
Table 1-1 MIMO radar and MIMO communication comparison
通信
微波雷达 (波长=10cm)
无方向发射 长时间观测目标 长时间相关累积 利用频率捷变时间带宽 测量性能
香农信息速率(bit/s)
信号分集 信息缺失容忍性
多径 无
信噪比、信杂比、信扰比、测量精度、系统分辨率 波形 大
信噪比、信杂比、信扰比、测量精度、系统分辨率 波形 部分
是 是 是 较少利用
否 否 否 充分利用
高频雷达 (波长=20m) 是（跟踪扫描） 是（跟踪扫描） 是
没有充分利用
表1-2 MIMO雷达与相控阵雷达比较[40]
Table 1-2 MIMO radar and array radar comparison
波形 发射模式 发射天线增益 SNR
距离多普勒域
MIMO雷达 正交 无方向性 1 kTN2 1/N
相控阵 相干
波束Θ≈λ/Δ N kTN3 1
MIMO雷达相对于相控阵雷达，SNR会有明显损失，原因是由于发射天线采用全向发射天线没有发射增益，并且非相干的综合正交波形。一般地，对于N个单元的相控阵雷达，SNR与N三次方成正比，而对于MIMO雷达则是N的二次方。如果N=10，那么与相控阵雷达相比，MIMO雷达SNR要低10dB。相关研究建议MIMO雷达通过长时间脉冲积累进行补偿损失的SNR，然而对于微波雷达来讲长时间脉冲积累是一个棘手的问题。因此SNR的损失将严重限制MIMO体制在常规雷达的应用。同时， MIMO微波雷达还受到最大可利用距离-多普勒空间限制，文献[40]指出，相控阵雷达最大可用的距离多普勒空间是1，而MIMO雷达采用N个正交波形距离-多普勒空间只有1/N。
因此，与微波雷达相比高频雷达，MIMO体制对于高频雷达是意义重大的，本身发射天线增益很小，并且有较大的多普勒容限，因而MIMO雷达体制造成的SNR损失对高频雷达并不是很严重，而对于弥补高频雷达角度距离分辨力，对抗
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哈尔滨工业大学工学博士学位论文 目标RCS起伏，以及提高高频雷达恶劣环境的生存能力则具有重大意义[35,36]。
目前，MIMO高频地波雷达系统尚处在试验和理论研究阶段，主要发展情况如下：
地波雷达工作原理利用高频电磁波沿海面绕射，但是发射接收阵列一般采用一维线阵实现，因此无法对垂直方向波束进行控制，无法抑制垂直方向电磁波泄露，该部分电磁波经电离层折射和反射作用变成杂波干扰信号，严重限制高频雷达性能。加拿大学者Ryan J. Riddolls等人利用渥太华的实验系统，该系统采用4个发射天线，4个接收天线。文献中采用发射接收端MVDR联合自适应处理，初步的一些数据证明了MIMO高频雷达系统可以很好的抑制电离层干扰[3]。
BAE systems 1978年开始研究和改进HFSWR，最初致力于发展全自动化雷达控制，多载频波形和多载频航迹信息融合。最近，英国BAE System开发人员将MIMO雷达模型及多载频技术应用在HFSWR系统中，该技术的应用使系统可以对目标进行鲁棒跟踪。此外，COTS技术使宽带高频数字接收机和数字波形发生器在实际高频雷达系统应用成为现实。该研究给出了基本MIMO系统构架，单基地MIMO系统由6阵元构成发射阵，阵元具有收发双工开关。发射信号由数字发生器产生，完全软件控制。将产生的波形通过一组6个1kW的固态放大器，每个发射单元发射各自的载频波形，且不同阵元发射的波形彼此独立。接收端可以同时接收4个载频信号，并将不同波束和频率的信号联合处理。接收阵元数目为16，这样阵列将扩展为64阵元，接收数据通过千兆以太网连接到信号处理机。根据实测数据研究，多载频数据使得跟踪的精度比单频情况有显著改进。为了充分利用多载频信息，BAE systems学者研究还给出多载频不同方向HF Radio频率干扰，流星余迹，Bragg回波，及HF段飞机舰船RCS特性[52]。
法国学者M. Lesturgie将MIMO雷达系统用于HFSWR，主要体现在两个方面：1)第一种应用旨在发展岸基雷达的分辨率及精度，提出了双基地模型。该模型工作在离散频带上，充分利用MIMO阵列虚拟构成一个大孔径。并与传统形式的HFSWR进行比较，仿真分析了多个相邻目标情况下，MIMO雷达分辨能力的优势。2)将实用的舰载HFSWR配置模型结合STAP技术，用以改进慢速目标的检测问题。在较少数目接收信道情况下，STAP主要利用发射阵列提供的自由度。将MIMO-STAP与传统的STAP相比，即使由于多普勒频移，动目标散射的影响，信号不完全正交[74]，指出理论性能不再受MIMO模型配置的影响。
南洋理工Yilong Lu主要研究多载频地波雷达波形设计，通过随机离散载频模糊度函数的研究评估目标doppler，以及传感器的几何位置对系统分辨率的影响，与传统雷达相比大间隔布放MIMO雷达有更好的分辨力和适应性。文献[106]将发射
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第1章 绪论 波形频谱与的旁瓣进行约束以实现非连续信号相关处理产生较高旁瓣的问题，通过增加旁瓣约束来优化采样点相位编码[75]。
1.2.3 多载频雷达波形
上世纪90年代，国外学者将多载波信号（OFDM，正交频分复用）引入雷达领域。与单载频调制波形相比，同时辐射多个载频可以实现展宽信号带宽的目的。
针对天波超视距雷达海杂波背景下信号失真问题，Anderson等人提出双频信号来解决，并对系统研究了高频雷达的双频工作方式，并对其性能进行了详细分析，通过实验验证双频工作模式的优势。双频雷达采用时分或者频分复用的方式构造发射波形，双频的使用使舰船目标的速度谱偏移Bragg峰，因而舰船目标不易被一阶谱遮挡改善系统的探测能力。但双频工作模式受限于双频之间的频率间隔大小。
频率发射分为时分复用和频分复用两种模式。当子载波为线性调频调制时，多载频信号存在距离-速度耦合的确定。OFDM模型下相位编码信号最大优势在于其结构形式的并行性，可以充分利用子载波快速调制解调技术。同时正交结构可以保证波形有较好的速度分辨率。与多载频时分复用模式相比，对于某一频率来说脉冲周期较小，具有较大的多普勒容限，不易产生模糊。
1.多频连续波形：最早多载波调制技术应用于连续波雷达。雷达发射通过多个频率的连续波信号发射，测量回波不同频率之间的相位差实现目标距离测量。雷达多频发射是为了解决测距精度与最大模糊距离之间的矛盾，通过多频信息解模糊来捕获目标。
2.多载频线性调频：Jankiraman.M通过多个子带进行线性调频调制构造连续波调制，并以PANDORA命名该类型雷达。该系统工作频段为X波段，通过并行发射多个载频FMCW来获取高距离分辨的效果。
由于多载频信号具有灵活可变的功率控制，而一般的线性功率放大器很难做到较宽频带的一致响应，因此功率合成器和放大装置理想的幅频响应是该系统的关键所在；其次，当回波信号通过滤波器不同载频将产生不同的群延迟，这样将导致距离旁瓣升高，对后续的多载频相参综合将产生影响。因此多载频雷达系统需要解决分离滤波器组群延迟问题，才能充分利用宽带资源。
3.多载频相位编码信号（MCPC）：基于多载频线性调频信号，Levanon提出了MCPC信号，将其应用于目标探测系统中。并对相位编码信号进行了一系列研究，包括单脉冲信号，连续波信号，脉冲串信号。通过对自相关函数的讨论，对编码的形式和频率加权的选择上作了大量的仿真实验；并对该类信号的频谱特性进行
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