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一、引言
借鉴在通信领域取得巨大成功的多输入多输出(MIMO,multiple input multiple output)技术,MIMO雷达的提出受到了广泛的关注,与传统雷达相比,MIMO雷达在低截获、弱目标检测、参数估计精度、杂波抑制、抗干扰等方面具有明显优势,近年来成为学术界研究的热点。
二、MIMO雷达波束形成两种不同结构
MIMO雷达的波束形成有两种形式:一种是先匹配滤波再波束形成,另一种则是先波束形成再匹配滤波,下面介绍这两种形式。
假设MIMO雷达中有M个发射阵元和N个接受阵元,先匹配滤波后波束形成的结构如图1所示:
MIMO雷达波束形成的另一种结构:先对N个接收通道进行波束形成,然后再进行匹配滤波,最后得到输出结果。先波束形成后匹配滤波的结构如图2所示。
三、MIMO雷达有源干扰自由度
自由度是MIMO雷达信号处理中的一个十分重要的概念[4]。一个采用两个加权系数的2元阵,可以设计权系数,使MIMO雷达在1个需要信号方向得到最大响应,或者在1个干扰方向产生零点,此时MIMO雷达的自由度为1。采用M个加权的M元阵,有(M-1)个自由度,MIMO雷达对干扰的抑制就是使得阵列方向图在干扰方向形成零陷。而干扰自由度就是干扰协方差矩阵中远大于噪声功率的特征值个数。
对有源干扰自由度影响的仿真验证,假设MIMO雷达为4个阵元发射4个相互正交的信号,干扰个数1个。干噪比为:10dB,采样次数500,在两种波束形成结构下分别计算得到干扰协方差矩阵,对其进行特征值分解,得到特征值如下:模式1:[4.01740.00100.00100.00100.0010]模式2:[4.13683.96473.68753.55320.0011 0.00100.0007]。
由于先匹配滤波的结构使通道数增加为4个,干扰协方差维数增大4倍。
假设空间中存在k个有源干扰。在先波束形成然后匹配滤波的结构下,有源干扰自由度等于有源干扰个数k。在先匹配滤波然后波束形成的结构下,每个接收信号后都要接M个匹配滤波器,以分离不同的发射信号,共得到M×N个输出,再对这M×N个输出进行波束形成,有源干扰自由度为kM。由于通道数的不同,有源干扰自由度在两种结构下是等效的,即匹配滤波器不会影响信号处理的有源干扰自由度。
四、总结
本文论述了MIMO雷达的波束形成的两种不同结构,给出了他们的输出结果并证明其实完全一致的。又从有源干扰自由度的角度论证了这两种结构的一致性。但是由于先匹配滤波后波束形成这种结构会增加MIMO雷达的通道数,导致计算量增加,所以建议在实际应用中采用先波束形成再匹配滤波的结构。
借鉴在通信领域取得巨大成功的多输入多输出(MIMO,multiple input multiple output)技术,MIMO雷达的提出受到了广泛的关注,与传统雷达相比,MIMO雷达在低截获、弱目标检测、参数估计精度、杂波抑制、抗干扰等方面具有明显优势,近年来成为学术界研究的热点。
二、MIMO雷达波束形成两种不同结构
MIMO雷达的波束形成有两种形式:一种是先匹配滤波再波束形成,另一种则是先波束形成再匹配滤波,下面介绍这两种形式。
假设MIMO雷达中有M个发射阵元和N个接受阵元,先匹配滤波后波束形成的结构如图1所示:
MIMO雷达波束形成的另一种结构:先对N个接收通道进行波束形成,然后再进行匹配滤波,最后得到输出结果。先波束形成后匹配滤波的结构如图2所示。
三、MIMO雷达有源干扰自由度
自由度是MIMO雷达信号处理中的一个十分重要的概念[4]。一个采用两个加权系数的2元阵,可以设计权系数,使MIMO雷达在1个需要信号方向得到最大响应,或者在1个干扰方向产生零点,此时MIMO雷达的自由度为1。采用M个加权的M元阵,有(M-1)个自由度,MIMO雷达对干扰的抑制就是使得阵列方向图在干扰方向形成零陷。而干扰自由度就是干扰协方差矩阵中远大于噪声功率的特征值个数。
对有源干扰自由度影响的仿真验证,假设MIMO雷达为4个阵元发射4个相互正交的信号,干扰个数1个。干噪比为:10dB,采样次数500,在两种波束形成结构下分别计算得到干扰协方差矩阵,对其进行特征值分解,得到特征值如下:模式1:[4.01740.00100.00100.00100.0010]模式2:[4.13683.96473.68753.55320.0011 0.00100.0007]。
由于先匹配滤波的结构使通道数增加为4个,干扰协方差维数增大4倍。
假设空间中存在k个有源干扰。在先波束形成然后匹配滤波的结构下,有源干扰自由度等于有源干扰个数k。在先匹配滤波然后波束形成的结构下,每个接收信号后都要接M个匹配滤波器,以分离不同的发射信号,共得到M×N个输出,再对这M×N个输出进行波束形成,有源干扰自由度为kM。由于通道数的不同,有源干扰自由度在两种结构下是等效的,即匹配滤波器不会影响信号处理的有源干扰自由度。
四、总结
本文论述了MIMO雷达的波束形成的两种不同结构,给出了他们的输出结果并证明其实完全一致的。又从有源干扰自由度的角度论证了这两种结构的一致性。但是由于先匹配滤波后波束形成这种结构会增加MIMO雷达的通道数,导致计算量增加,所以建议在实际应用中采用先波束形成再匹配滤波的结构。