机载MIMO雷达杂波建模及杂波特性分析

do m (DO F) of clutter
目标 、慢目标的检测能力等 。目前 ,国内外许多学
1 引 言
者都对 M IMO 雷达展开了大量的研究 ,主要研究 方向集 中在 雷达 系 统 结 构 研 究[223] 、信 号 波 形 设
M IMO (多输入多输出) 雷达是近几年发展起 来的一种新体制雷达 ,其概念首先是被 Fishler[1]
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2010 年第 4 期
严韬 :机载 M IMO 雷达杂波建模及杂波特性分析
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何关系近似不变 。
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雷达科学与技术
第 8 卷第 4 期
正交两种情形的杂波数学模型 ;第 3 节介绍了两种 典型的正交信号 :多载频 L FM 和离散频率编码信 号 (D FCW) ;第 4 节对不同情形下的机载 M IMO 雷达杂波功率谱和特征谱进行了仿真分析 ,并给 出了有益的结论 。
图 1 机载 MIMO 雷达阵列几何模型
对于机载 M IMO 雷达 ,其最大的优势是通过
虚拟阵列来增加雷达系统的自由度 。理想情况
下 ,机载 M IMO 雷达发射的是正交信号 , 每个接
收阵元后端都接有一组 M 个匹配滤波器 , 每个滤
波器与一种发射信号匹配 。在远场条件下 , 第 n 个
接收阵元的第 m 个匹配滤波器输出的回波信号可
计[429 ] 、目 标检 测性 能[10211 ] 及 空 间 谱 估 计[12 ] 等 方 面 ,研究对象主要以地基雷达为主 。
在 2004 年提出的 。它成功借鉴了在通信领域取得 巨大成功的多输入多输出技术 ,使雷达系统通过 独特的时间2能量管理技术来实现多个独立波束同 时照射目标 ,从而有效改善雷达的性能 。M IMO 雷达具有处理维数高 、收发孔径利用充分 、角分辨
摘 要 : 机载 M IMO 雷达通过将 M IMO 技术应用到机载雷达 ,显著增加了雷达的系统自由度 ,改善了 机载雷达的杂波抑制性能 。首先建立了机载 M IMO 雷达的杂波数学模型 ;然后给出了两种典型的正交信号 形式 ;最后对不同信号形式和不同误差条件下机载 M IMO 雷达的杂波功率谱和特征谱进行了仿真分析 。仿 真结果表明 ,机载 MIMO 雷达与机载相控阵雷达有相似的杂波分布 ,但其杂波自由度显著增加 ;发射信号从 正交向相干的退化过程中 ,杂波在空时二维平面形成主副瓣并逐渐锐化 。
同决定的 。与传统机载相控阵雷达相比 , 其目标响
应相当于有 M N 个自发自收阵元的天线阵列的响
2. 2 机载 MIMO 雷达杂波模型
在机载 M IMO 雷达杂波建模过程中 ,首先作 如下假设[13 ] :
(1) 载机作匀速直线飞行 ; (2) 杂波源统计特性在空间上相互独立 ,在时 间上相关平稳 ; (3) 在同一个距离环内 ,杂波无起伏 ; (4) 在相干处理距离内 ,载机移动距离远小于 雷达与杂波间的斜距 ,即雷达与杂波源的相对几
机载 M IMO 雷达通过将 M IMO 技术应用到 机载雷达 ,显著增加了雷达的系统自由度 ,改善了 机载雷达的杂波抑制性能 。本文研究机载 M IMO 雷达的杂波分布特性 ,其安排如下 :第 1 节为 M I2 MO 雷达背景知识介绍 ; 第 2 节建立机载 M IMO
率高的优点 ; 可以兼顾大空域搜索和空域覆盖率 雷达的杂波模型 ,首先基于 UL A ( U niform Linear
域角频率 。则式 (3) 可以简化为
e cl , i ( m , n , k) = A i j (γm + n)ωs (θi ,φl) +jkωt (θi ,φl)
(5)
式中 ,γ为发收阵元的间距比 。对同一距离环内杂
波单元进行累加 ,可得第 l 个距离环的杂波回波为
Nc
∑ cl ( m , n , k) =
关键词 : 机载 M IMO 雷达 ; 杂波建模 ; 杂波空时分布 ; 杂波自由度
中图分类号 : TN959 文献标识码 :A 文章编号 :167222337 (2010) 0420289207
Model and Clutter Characteristics Analysis for Airborne MIMO Radar
第4期 2010 年 8 月
Radar
雷达科学与技术
S cie nc e a nd Te c hnology
Vol. 8 No. 4
August 2010
3
机载 MIMO 雷达杂波建模及杂波特性分析
严 韬 , 谢文冲 , 王永良
(空军雷达学院雷达兵器运用工程重点实验室 , 湖北武汉 430019)
A e ( 6) i j (γm + n)ωs (θi ,φl) +j kωt (θi ,φl)
YAN Tao , XIE Wen2chong , WAN G Yong2liang ( Key Research L ab , A i r Force R adar A ca dem y , W uhan 430019 , Chi na)
Abstract : Based on t he applicatio n of M IMO technology to airborne radar , t he degree of f reedom (DO F)
acuminated gradually o n t he space2time plane when t he t ransmitting signals degenerate f rom ort hogonal sig2
nals to coherent signals.
Key words : airborne M IMO radar ; clutter modeling ; space2time dist ribution of clutter ; degree of f ree2
N c 为 杂 波 单 元 个 数 。由 几 何 关 系 可 以 知 道 ,
co sψ= co sθco sφ, 且令
ωs (θi ,φl ) = 2πdR co sθi co sφl /λ
ωt (θi ,φl ) = 4πV r Tco sθi co sφl /λ
(4)
式中 ,ωs (θi ,φl ) ,ωt (θi ,φl ) 分别为空域角频率和时
ej2πk(2V r T) cosψi/λ
(3)
百度文库
式中 , m = 1 ,2 , …, M ; n = 1 ,2 , …, N ; k = 1 ,2 , …, K;
l = 1 ,2 , …, L ; i = 1 ,2 , …, Nc ; A i 为回波信 号的 幅 度; K为相干处理脉冲数,L 为距离模糊数,
以表示为
x ( t) n, m
=
A t exp
(j
2λπu
T t
(
XT , m
+ XR , n ) )
(1)
式中 , ut 为目标和雷达之间的单位矢量 ; A t 为回波 信号的幅度 ; XT, m 为第 m 个发射阵元的位置矢量 ; XR, n 为第 n 个接收阵元的位置矢量 。由式 (1) 可以 看出 , 回波信号相位差是由收发阵元位置关系共
要求 ;利用多信号通道联合处理可以有效克服目 Array ,均匀线阵) 建立了机载 M IMO 雷达的阵列
标起伏 ,提高雷达检测性能 ; 有效提高多目标 、小 几何模型 ,然后给出发射信号完全正交和不完全
收稿日期 : 2010203219 ; 修回日期 : 2010205225
3
基金项目 : 国家杰出青年科学基金 (No . 60925005)
of system fo r airborne M IMO radar increases dramatically and clutter supp ression performance is imp roved
effectively. The clutter model is established firstly in t his paper , and t hen two typical o rt hogonal signals are
应 , 其位置在 : { ( XT , m + XR , n) / 2 | m = 1 , 2 , …, M ; n = 1 , 2 , …, N }
(2) 从式 (2) 可以看出 , 每一个 m 与 n 的组合都有 一个阵元与之相对应 , 因此共有 M N 个相对应的 阵元 。因为上述 M N 个阵元并不是真实存在的 , 因 此把这种模式下的阵元称作虚拟阵元 , 组成的阵 列称为虚拟阵列 。对于发收阵元个数分别为 M 和 N 的机载 M IMO 雷达 ,其虚拟阵元个数为 M N ,但 随着收发阵列的位置 、几何结构以及间距的变化 , 部分虚拟阵元将出现重叠现象 。图 2 以发射阵元 M = 3 , 接收阵元 N = 4 为例 ,给出了机载 M IMO 雷 达虚拟阵列示意图 , 其中实心圆代表虚拟阵元 , γ= dT / dR 为发收阵元间距比 。当发收阵元间距比 为 N 时 ,虚拟阵元间无重叠 ,即等效虚拟阵元个数 为 12 个 ,如图 2 (a) 所示 ,此时机载 M IMO 雷达可 以仅仅利用 M + N 个阵元来等价一个阵元个数为 M N 的阵列 ;当发收阵元间距比为 N / 2 时 , 尽管虚 拟阵元个数仍为 12 个 ,但其中有 4 个发生重叠 ,则 等效虚拟阵元个数仅为 8 个 ,如图 2 ( b) 所示 ,虚拟 阵列下方 4 个实心圆表示重叠的虚拟阵元 。
理想情况下 ,机载 M IMO 雷达各发射信号相
互正交 ,由于匹配滤波器的分选作用 ,杂波回波经
过匹配滤波器之后 ,输出的信号将与发射信号波
形本身无关 。因此可以得到对第 l 个杂波距离环的
第 i 个杂波单元 ,第 n 个接收阵元的第 m 个匹配滤
波器输出的第 k 个脉冲的采样数据为
· · cl , i ( m , n , k) = A e e i j2πm d Tcosψi/λ j2πn d Rcosψi/λ
int roduced. Finally t he simulatio n for clutter power spect ra and eigenspect ra under different signal format s
and erro r conditio ns are implemented , and t he clutter characteristics are analyzed. The simulatio n result s in2
2 机载 M IMO 雷达杂波模型
2. 1 阵列几何模型 图 1 给出了机载 M IMO 雷达的阵列几何模
型 , 其中假设载机沿 X 轴正方向作直线飞行 ,天线 阵列的法线方向垂直载机飞行方向 ,V r 表示载机 飞行的速度 , H 为载机飞行高度 ; M , N 分别表示 发射阵元和接收阵元个数 , dT , dR 分别表示发射阵 元间距和接收阵元间距 , 收发阵元均是全向的 , 当 收发阵元位置重合时 , 则收发并用 ;θ为杂波散射 单元的方位角 ,φ为俯仰角 ,ψ为锥角 。
dicate t hat t he distributio n of clutter fo r airborne M IMO radar is similar to t hat fo r airborne p hased array ra2
dar , but t he DO F of clutter fo r airborne M IMO radar increases. The mainlobe and sidelo bes are formed and