机载MIMO雷达杂波建模及杂波特性分析

Ｍ ｏ ｅ ｎ ｕ ｔｒＣｈ ｒ ｃｅ ｉｔ ｓＡｎ ｌｓｓｆ ｒＡｉｂ ｒ ｅ Ｍ Ｉ Ｏ ｄ ｒ ｄ ｌａ ｄ Ｃｌｔｅ ａ ａ ｔｒｓｉ ａｙ ｉ ｌ ｒ ｏ ｎ Ｍ ｃ ０ Ｒａ ａ
ＹＡＮ ｏ，ＸＩ Ｗ ｅ — ｈ ｎ Ｔａ Ｅ ｎ ｃ ｏ ｇ，Ｗ ＡＮＧ ｎ — ｉｎ Ｙｏ ｇ ｌａ ｇ （ ｙ Ｒｅ ｅ ｃ ｂ，Ａｉ ｒ ｅ Ｒａ ｒ Ａｃ ｄ ｍｙ，Ｗ ｕ ａ ３ ０ ９ Ｋｅ ｓａｒ ｈ Ｌａ ｒ Ｆｏ ｃ ｄａ ａ ｅ ｈ ｎ ４ ０ １ ，Ｃｈ ｎ ） ｉ ａ
在 ２０ ０ ４年提 出 的。它成 功借 鉴 了在通 信领域 取 得
巨大成 功 的 多 输 人 多 输 出技 术 ， 雷 达 系 统 通 过 使
独特 的时 间一 量管 理技 术来 实现 多个 独立 波 束 同 能
时照射 目标 ， 而 有 效 改 善 雷 达 的性 能 。ＭＩ 从 ＭＯ
雷达 具有 处理维 数 高 、 收发 孔 径 利 用 充分 、 分辨 角
（ 军雷达学院雷达兵器运用工程重点实验室 ， 北武汉 ４０１ ） 空 湖 ３ ０ ９ 摘 要 ： 载 ＭＩ 机 ＭＯ 雷 达 通 过 将 ＭＩ ＭＯ 技 术 应 用 到 机 载 雷 达 ， 著 增 加 了 雷达 的 系统 自由 度 ， 显 改善 了 机 载 雷达 的 杂 波 抑 制 性 能 。首 先 建 立 了机 载 ＭＩ Ｏ 雷 达 的 杂 波数 学模 型 ； 后 给 出 了 两种 典 型 的 正 交信 号 Ｍ 然
ｄ ｍ（ ｏ Ｄ０Ｆ ｏ ｌ ｔｅ ） ｆｃｕ ｔ ｒ
目标 、 目标 的检 测 能 力 等 。 目前 ， 慢 国内外 许 多 学
１ 引 言
ＭＩ ＭＯ（ 多输 人 多输 出 ） 达是 近 几 年 发 展起 雷 来 的一种 新 体 制 雷 达 ， 概 念 首先 是 被 Ｆ ｓ ｌｒ ］ 其 ｉ ｅ＿ ｈ ＿ １
Ａｂｓｒ ｔ Ｂａ ｅ ｎ ｔ ｐｐ ｉａ ｉ Ｉ Ｏ ｅ ｈ ｌ ｇｙ ｔ ｉｂｏ ｎｅ ｒ ｄａ ，ｔ ｅ ｅ ｆｆｅ ｄ ｔａｃ ： ｓ ｄ ｏ ｈｅａ ｌｃ ｔｏｎ ｏｆＭ Ｍ ｔ ｃ ｎｏ ｏ ｏ ａ ｒ ｒ ａ ｒ ｈｅ ｄ ｇｒ ｅ ｏ ｒ ｅ ｏｍ （ ＤＯ Ｆ） ｏｆｓ ｓ ｅ ｆ ｒ ａ ｒ ｏｒ Ｍ Ｉ Ｏ ａ ｒ ｉ ｒ ａ ｅ ａ ａ ｉａ ｌ ｎｄ ｃｕｔｅ ｕｐ ｅ ｓｏｎ ｐ ｒ ｏ ｍ ａ ｃ ｓ ｉ ｐ ｏ ｅ ｙ ｔ ｍ ｏ ｉｂ ｎｅ Ｍ ｒ ｄａ ｎｃ ｅ ｓ ｓ ｄｒ ｍ ｔｃ ｌｙ ａ ｌ ｔ ｒ ｓ ｐｒ ｓ ｉ ｅ ｆ ｒ ｎ ｅ ｉ ｍ ｒ ｖ ｄ ｅｆ ｃ ｉ ｌ Ｔｈｅ ｃｕｔｅ ｆｅ ｔｖｅｙ． ｌ ｔ ｒ ｍｏｄ ｌｉ ｓ ａ ｌｓ ｅｄ ｆｒ ｔｙ ｉ ｈｉ ａ ｒ ａ ｈｅ ｗｏ ｔ ｐｉａ ｔ ｇｏ ｌｓｇｎ ｌ ｒ ｅ ｓ ｅ ｔ ｂ ｉｈ ｉｓ ｌ ｎ ｔ ｓ ｐ ｐｅ ， ｎｄ ｔ ｎ ｔ ｙ ｃ ｌｏｒｈｏ ｎａ ｉ ａ ｓａ ｅ ｉ ｒ ｄｕ ｅ ． Ｆｉａ ｌ ｔ ｉ ｕｌ ｉ ｎ ｏｒ ｃｕｔｅ ｗ ｅ ｐｅ ｔａ ａ ｅｇｅ ｐ ｃ ｒ ｕ ｄｅ ｆｅ ｅ ｓｇ ｌ ｏ ｍ ａ ｓ ｎｔｏ ｃ ｄ ｎ ｌｙ ｈｅ ｓｍ ａｔｏ ｆ ｌ ｔ ｒ ｐｏ ｒ ｓ ｃ ｒ ｎｄ ｉ ｎｓ ｅ ｔａ ｎ ｒ ｄｉｆ ｒ ｎｔ ｉ ｎａ ｆ ｒ ｔ ａ ｒ ｏｒｃ ｎｄｉｉ ｓ ａ ｅ ｉ ｐ ｅ ｅ ｔ ｄ，ａ ｈｅ ｃｕｔｅ ｈａ ａ ｔ ｒｓ ｉｓａ ｅ ａ ａ ｙ ｅ ． Ｔｈｅｓｍ ｕ ａ ｉ ｅ ｕｌｓ ｉ ｎｄ ｅ ｒ ｏ ｔｏｎ ｒ ｍ ｌ ｍ ｎ ｅ ｎｄ ｔ ｌ ｔ ｒｃ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｒ ｎ ｌ ｚ ｄ ｉ ｌ ｔｏｎ ｒ ｓ ｔ ｎ— ｄｉａ ｅ ｔ ａｔｔ ｅ ｄｉｔｉ ｔｏｎ ｏ ｌ ｔ ｒｆ ｉｂ ｎｅ Ｍ Ｉ Ｏ ａ ａ ｓ ｓｍ ｉ ｏ ｔ ｔｆ ｒａ ｒ ｒ ｅ ｐｈａ ｅ ｒ ｙ ｒ — ｃ ｔ ｈ ｈ ｓ ｒｂｕ ｉ ｆｃｕｔｅ ｏｒａｒ ｏｒ Ｍ ｒ ｄ ｒ ｉ ｉ ｌ ｔ ｈａ ｏ ｉｂｏ ｎ ａｒ ｓ ｄ ａｒａ ａ ｄａ ． ｂ ｈｅ ＤＯＦ ｌ ｔ ｒｆ ｉｂｏ ｎ Ｉ Ｏ ａ ｒｉ ｃ ｅ ｅ ． Ｔ ｈｅ ｍ ａｎｌｂｅ ａ ｉ ｅ ｏ ｓａｒ ｏｒ ｅ ｎｄ ｒ ｕｔｔ ｏｆｃｕｔｅ ｏｒａ ｒ ｒ ｅ Ｍ Ｍ ｒ ｄａ ｎ ｒ ａｓ ｓ ｉ ｏ ｎｄ ｓｄ ｌ ｂｅ ｅ ｆ ｍ ｄ ａ ａ ｕｍ ｉａｔｄ ｇｒ ｄｕ ｌｙ ｏｎ ｔ ｐａ ｅ ｔｍ ｅ ｐｌｎｅ ｗ ｈ ｎ ｔ ｒ ｓ ｉｔｎ ｉ ｅ ｎ ｅ ａ ａ ｌ ｈｅ ｓ ｃ － ｉ ａ ｅ ｈｅ ｔａｎ ｍ ｔ ｉｇ ｓｇｎａｓ ｄｅ ｅ ｒ ｔ ｒ ｍ ｒ ｈ ｏｎ ｌｓｇ— ｌ ｇ ｎｅ ａ ｅ ｆｏ ｏ ｔ ｏｇ ａ ｉ
形式 ； 最后 对 不 同信 号 形 式和 不 同误 差 条件 下机 载 ＭＩ ＭＯ 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 ， 载 ＭＩ 机 ＭＯ 雷 达 与 机 载 相控 阵 雷 达 有 相 似 的 杂 波 分 布 ， 其 杂 波 自 由度 显 著 增 加 ； 射 信 号从 但 发 正 交 向相 干 的 退 化 过 程 中 ， 波在 空 时二 维 平 面 形 成 主 副 辫 并 逐 渐 锐 化 。 杂 关键词 ： 载 ＭＩ 机 ＭＯ 雷 达 ； 波建 模 ；杂 波 空 时 分 布 ；杂波 自由度 杂 中图 分 类 号 ： ９ ９ ＴＮ ５ 文献标识码 ： Ａ 文 章 编 号 ： ６ ２２ ３ （ ０ ０ ０ —２ ９ ０ １７ —３ ７ ２ １ ）４０ ８—７
几何模 型 ， 后 给 出发 射 信 号 完 全 正 交 和 不 完 全 然
２０ ９
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 ； ３ 介绍 了两 种 第 节
应， 其位 置在 ：
｛ ｘＴ ＋Ｘ ） ２ｌ 一 １ ２ … ， ；＂ １ ２ … ， ｝ （ ， ／ ｒ ｎ ，， Ｍ １ ｌ ，， Ｎ 一
发射阵列
ｎ ｌ ｏ ｃ ｈ ｒ ｎ ｉ ｎ ｌ ． ａ ｓ ｔ ｏ ｅ ｅ ｔｓｇ ａ ｓ
Ｋｅ ｒ ｓ： ａ ｒ ｏｒ Ｉ Ｏ ａ ｒ ｃｕｔｅ ｏ ｌｎ ｙ ｗｏ ｄ ｉｂ ｎｅ Ｍ Ｍ ｒ ｄａ ； ｌ ｔ ｒｍ ｄｅｉ ｇ； ｓ ｃ — ｉ ｅ ｄｉｔｉ ｕｔｏｎ ｏｆｃ ｕ ｔ ｒ；ｄｅ ｅ ｆ ｆｅ — ｐａ ｅｔｍ ｓ ｒｂ ｉ ｌ ｔｅ ｇｒ ｅ ｏ ｒ ｅ
率高 的优 点 ； 以兼 顾 大 空 域 搜 索 和 空 域 覆 盖 率 可
要求 ； 利用 多 信 号 通 道 联 合 处 理 可 以有 效 克 服 目
标起伏 ， 高 雷 达 检 测 性 能 ； 效 提 高 多 目标 、 提 有 小
收稿 日期 ： ０ ００ — ９ 修 回 日期 ： ０ ００ —５ ２ １ — ３１ ； ２ １— ５２ 基金 项 目：国家 杰 出青 年科 学 基金 （ ｏ ６ ９ ５ ０ ） Ｎ ． ０ ２ ０ ５
ｙ ｄ ／ 为发 收 阵元 间距 比。 — ｄ 当发 收阵元 问距 比 为 Ｎ 时 ， 拟阵元 间无 重叠 ， 虚 即等效 虚拟 阵元 个数 为 １ 个 ， 图 ２ ａ 所 示 ， 时机 载 ＭＩ ２ 如 （） 此 ＭＯ雷 达可
收 发阵元 位置 重合 时 ， 收 发 并 用 ； 则 ０为杂 波 散 射 单 元 的方 位角 ， 为俯 仰角 ， 锥角 。 为
随着 收发 阵列 的位 置 、 何 结 构 以及 间距 的 变化 ， 几 部分虚 拟 阵元 将 出现 重 叠 现 象 。 ２以 发射 阵元 图 Ｍ 一３ 接 收 阵元 』 一４ ， ＼ 为例 ， 出 了机 载 ＭＩ ， 给 ＭＯ雷 达 虚拟 阵 列 示 意 图 ， 中实 心 圆 代 表 虚 拟 阵 元 ， 其
以仅仅利 用 Ｍ＋Ｎ 个 阵元来 等 价一 个 阵元 个 数 为 ＭＮ 的阵列 ； 当发 收阵元 间距 比为 Ｎ／ ２时 ， 管虚 尽 拟 阵元个 数仍 为 １ 个 ， 其 中有 ４个发 生重 叠 ， ２ 但 则
等效 虚拟 阵元个 数仅 为 ８个 ， 图 ２ ｂ 所 示 ， 如 （） 虚拟 阵列 下方 ４个实 心 圆表示 重叠 的虚 拟阵元 。
者 都对 ＭＩ Ｍ０雷 达 展 开 了 大量 的研 究 ， 要 研 究 主
方 向集 中 在 雷 达 系 统 结 构 研 性 能ｍ川 及 空 间 谱 估 计 ［ 等 方 、
面 ， 究 对象 主要 以地基 雷达 为主 。 研 机载 ＭＩ ＭＯ 雷 达 通 过 将 ＭＩ ＭＯ 技 术 应 用 到 机 载雷达 ， 著增加 了雷 达 的 系 统 自由度 ， 善 了 显 改 机载 雷达 的杂 波抑 制性 能 。本 文 研究 机 载 ＭＩ ＭＯ 雷达 的杂 波分 布特 性 ， 安 排 如下 ： １节 为 ＭＩ 其 第 — ＭＯ雷 达 背景 知 识 介 绍 ； ２节 建 立 机 载 ＭＩ 第 ＭＯ 雷达 的杂波 模型 ， 先 基 于 ＵＬ Ｕｎｆｒ ｉｅ ｒ 首 Ａ（ ｉ ｍ Ｌ ｎ ａ ｏ Ａｒａ ， 匀线 阵 ） 立 了机 载 ＭＩ ｒｙ 均 建 ＭＯ 雷 达 的 阵列
一
个 阵元 与 之相 对 应 ， 此共 有 ＭＮ 个 相 对 应 的 因
阵元 。 因为上 述 ＭＮ 个 阵元 并不 是 真实存 在 的 ， 因
２ 机 载 ＭＩ ＭＯ 雷 达 杂 波 模 型
２ １ 阵 列 几 何 模 型 ．
此把这 种 模 式 下 的阵 元 称 作 虚 拟 阵元 ， 成 的 阵 组 列称 为虚 拟 阵列 。 于 发 收 阵元 个 数分 别 为 Ｍ 和 对 Ｎ 的机 载 ＭＩ ＭＯ 雷达 ， 虚拟 阵元 个数 为 ＭＮ ， 其 但
（） ２
典型 的正交 信号 ： 多载 频 Ｌ Ｍ 和离 散 频率 编 码 信 Ｆ 号 （ Ｆ Ｗ ） 第 ４节 对 不 同 情 形 下 的机 载 ＭＩ Ｄ Ｃ ； ＭＯ 雷达 杂波 功率 谱 和 特 征谱 进 行 了仿 真 分 析 ， 给 并
出 了有 益 的结论 。
从 式 （ ） 以看 出 ， ２可 每一个 ｍ 与 的组合都 有
第 ４期 ２１ Ｏ Ｏ年 ８月
雷 达 科 学 与 技 术
Ｒ ａｄａ ｒ Ｓ ｃ ｉ ｅｎｃｅ ｌ Ｃｎｄ Ｔ ｅｃｈｎｏ Ｉ ｏｇＹ
Ｖｏ ． ． １ ８ Ｎｏ ４
Ａ ｕｇ ｔ２Ｏ１ ｕｓ ０
机 载 ＭＩ ＭＯ 雷 达 杂 波 建 模 及 杂 波 特 性 分 析
严 韬 ， 文 冲 ，王 永 良 谢
图 １给 出 了机 载 ＭＩ ＭＯ 雷 达 的 阵 列 几 何 模
型 ， 中假设 载 机沿 ｘ轴正 方 向作直线 飞行 ， 其 天线 阵列 的法 线 方 向垂 直 载 机 飞 行方 向 ， 表示 载机
飞 行 的速 度 ， 为载 机 飞 行 高 度 ； ， 分 别 表 示 Ｈ Ｍ Ｎ 发 射 阵元 和接 收阵元 个数 ， ， 分别 表示发 射 阵 ｄ ｄ 元 间距 和接 收阵元 间距 ， 收发 阵 元 均是 全 向的 ， 当