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集中式MIMO雷达阵列信号处理技术分析

2020-12-14殷宇辰

科学与财富 2020年28期

殷宇辰

摘 要:本文将对集中式MIMO雷达阵列处理信号的技术流程加以介绍,分析技术处理频率编码的正交信号以及各种影响,进而评估相关运算量,以期为有关部门提供可靠参考。

关键词:集中式MIMO雷达阵列;信号处理技术;频率编码;正交信号

0引言

MIMO雷达主要包括分布式与集中式两类,而后者经由子阵或者多阵元共同将互相正交的信号发射出去,随后经由子阵或者多阵元对回波信号进行接收,从而于接收端能够形成发射方向图。同时,集中式MIMO雷达接收端可以同时对波束进行接收、发射,其处理信号的自由度更大。

1集中式MIMO雷达阵列处理信号的技术流程

1.1模型建立

若MIMO雷达的发射阵元数量为M,其接收阵元数量为N,二者皆属于均匀线阵,而阵元将会把互为正交窄带信号发射出去,这些信号记作s1(t),s2(t),…,sM(t),其中t的范围处于0≤t≤Tp[1]。

此时设fx为发射信号的载频,fc为接收的频率,在无需考虑传输信号过程中产生的传输损失所带来的影响时,阵元n对处在θ方向、速度为v且延时为τ目标回波的基带信号可以表示为:

(1)

在公式(1)当中,c即光速,a(θ)即发射导向矢量,而b(θ)即接收导向矢量,s(t)即发射信号向量。

1.2合成接收波束

假设接收波束形成方向为βk的接收波束B个,其中k为1,2,3…B,同时设接收方向向量为b(βk),此时的yrk(t)即接收信号。

1.3分离正交信号

其实现的方式主要为滤波的匹配,即运用yrk(t)以及si(t)对滤波进行匹配,得到输出(用zki(t)表示)的数量共MB个。若想使处理速率得到有效提升,就应该即使引入频域匹配滤波的方法,若记s(t)频谱是Si(ω),表示为fft[si(t)]。

1.4合成发射波束

对数量为B的接收波束βk方向进行发射波束的合成,此时发射方向的向量即a(βk),在完成发射波束的合成之后,目标为B个的yk(t)(即回波信号)。

2处理频率编码的正交信号

2.1模型建立

在通常情况下,可以将正交信号以多种编码的形式加以表示,例如频率编码以及相位编码等[2]。本文主要采用的就是频率编码,而其正交信号便是调制正交频率的相应信号,此时公式(1)的fx即fi,可以表示为mΔf+fc,同时信号带宽记为Bs,而m可以表示为[-(M-1)/2,-(M-3)/2…(M-1)/2],对公式(1)进行重写,即可得到全新的公式(2):

(2)

2.2参数的影响

决定MIMO雷达自身性能优劣性的重要因素便是信号正交性,若想将自干扰得到有效规避,就应当确保拥有尽量小的信号之间相互关峰值的电平,同时保持较低的自相关旁瓣。

在查阅有关资料时可以得到频率编码最小化正交信号之间相互产生影响的各参数之间关联性,同时也能够得到使自相关旁瓣得到有效降低的合理方式,即若没有出现重叠的信号频谱,此时Bs≤Δf,且信号之间有着较小的相互关峰值。经由后续的加权处理,能够使自相关旁瓣下降。

2.3回波信号频移的影响

x(t)(即目标回波信号)的频移项有2个,即:①由于目标发生运动所引发频移,即fd可以表示为          ;②多载项和接收频率存在差异性,若m≠0,此时的频移量可以表示为mΔf。若想使滤波匹配结果受到目标运动的影响被充分消除掉,应该对其加以补偿。

2.4合成接收波束时空间相位差产生的影响

在接收波束合成的过程中,其对应的接收导向对应向量可以表示为b(β)。因为接收端属于多频混合型的信号,其不能有效补偿此时分辨力受到此相位差的影响,所以应当对MΔf(发射总带宽)加以限制,此时可得到对應公式,即:

(3)

在公式(3)当中,Δθ1/2表示方向为法线向波束对应半功率点宽度,倘若其与公式(3)相符合,此时的波束,其偏移量并不会大于±Δθ1/2(β)/4,除此之外的接收波束对应展宽也不会比Δθ1/2(β)/2大。

2.5合成发射波束

2.5.1角度-距离耦合

若目标的延时为τ、处于方向θ,该目标第0阵元与第m-1阵元至目标信号相位差可以表示为如下的公式:

(4)

在公式当中,因为正交信号有着不同的载频频点,其相位差还会和目标的延时——τ有所关联,也就是此时存在角度-距离耦合的现象。此时可以借助一组以随机自然数作为频率编码的频信号使角度与距离间耦合的关系被减小。

2.5.2 SPR法合成宽带

SPR法:在天线阵元对相参频率编码的正交信号进行发射,且合成发射波束的时候,需要对各阵元相位差进行相应的补偿,其中包含了因为目标的运动所导致频点之间出现的相位差,进而借助IDFT来合成相参,在合成脉冲之后,会输出与主瓣的宽度相距C/MΔf的一类函数窄脉冲,可以提升距离分辨率,然而该方法有着较差的栅瓣性能。

3运算量评估

当处于搜索模式的时候,无法获知对应目标的运动速度,因此应该根据速度误差补偿的相应标准将运动补偿的若干通道划分出来。假设fs为雷达的回波采样率为,其不小于MΔf;同时设Tb为波门宽度。此时对MIMO雷达处理对应频率编码的正交信号运算量加以计算。在分析运算量的时候得知,在分离正交信号、形成接收与发射的数字波束阶段,存在许多FFT以及复乘加等计算,所以此类系统应该借助FPGA对发射波束、DBF等进行接收。

4结论

总之,MIMO雷达属于全新的探测技术之一,社会对其的关注度与日俱增。事实证明,集中式MIMO雷达阵列信号处理技术借助发射波形可以对雷达系统分辨力以及自由度进行分集提升。文章经由研究处理频率编码正交信号,明确了应该从多角度出发掌握各因素的影响。

参考文献:

[1]侯静,胡孟凯,王子微.一种改进的知识辅助MIMO雷达空时自适应处理方法[J].电子与信息学报,2019,41(04):38-43.

[2]李慧,赵永波,程增飞.基于线性调频时宽的MIMO雷达正交波形设计[J].电子与信息学报,2018,040(005):1151-1158.