机载MIMO雷达杂波建模及杂波特性分析
MIMO雷达波形设计、应用及分布式相参发射研究
MIMO雷达波形设计、应用及分布式相参发射研究MIMO雷达波形设计、应用及分布式相参发射研究近年来，随着雷达技术的不断发展和进步，利用多输入多输出（MIMO）技术的雷达系统也日益受到关注。
MIMO雷达系统通过在发射端和接收端引入多个天线，能够在保持较低的发射功率的情况下，实现波束形成、目标分辨、高性能抗干扰等功能。
本文将重点探讨MIMO雷达波形设计、应用及分布式相参发射的研究进展。
首先，MIMO雷达的波形设计是实现其高性能的关键。
传统雷达系统通常采用线性调频（LFM）波形，但对于MIMO雷达而言，LFM波形的应用存在诸多问题。
因此，研究人员提出了一系列新的波形设计方法。
例如，基于信号处理的角度多普勒聚焦（ADOF）波形设计方法，通过在角度和多普勒域内对雷达信号进行对称加权，实现目标分辨率的提高。
此外，压缩感知理论在波形设计中也得到了广泛的应用，通过优化远场目标的波形特性，实现目标位置的精确估计。
其次，MIMO雷达系统在各个领域都有着广泛的应用。
在军事领域，MIMO雷达通过数字波束形成技术，可以实现多个目标同时跟踪和定位，提高侦察和打击的效率。
在民用领域，MIMO雷达在航空领域的应用非常广泛。
例如，MIMO雷达可以在飞机起飞和降落过程中，实时监测飞机周围的航空器和地面情况，提高飞行安全性。
此外，在无人驾驶领域，MIMO雷达也扮演着重要的角色，能够提供高分辨率的环境感知能力，进一步提高无人驾驶车辆的自动驾驶能力。
最后，分布式相参发射是MIMO雷达系统中的一项重要研究内容。
MIMO雷达中的多个发射信号之间存在相位差，会导致频谱间泄漏等问题。
因此，如何实现多个天线之间的相位同步，成为MIMO雷达系统的研究重点之一。
分布式相参发射技术通过引入参考天线和相位同步算法，实现多个发射天线之间的相位同步，从而提高MIMO雷达系统的性能。
综上所述，MIMO雷达波形设计、应用及分布式相参发射是当今雷达技术研究的热点。
机载预警雷达杂波模型
机载预警雷达杂波模型罗 毅,刘国岁(南京理工大学电光学院,南京210094)摘 要: 本文用随机积分的方法引入一种合理的机载预警雷达的地(海)杂波模型.由此得出正侧面阵阵元上的时空快拍是对一低通平稳随机过程的采样.在距离环上杂波散射呈Gauss 白噪声时,可知杂波过程为低通Gauss 平稳随机过程.此外,还讨论了一般的杂波过程的相关函数与功率谱密度.并利用一组Mountain Top 数据对本文建立的杂波模型做了相应的验证.关键词: 时空二维信号处理;机载预警雷达;杂波中图分类号: TN959 1 文献标识码: A 文章编号: 0372-2112(2000)09-0117-03Clu tter Model for Airborne Early Warnin g RadarLUO Yi,LI U Guo -sui(Institute o f Photo and Elec tronic s o f Nanjing U nive rsity o f Scie nce and Te chnology ,Nanjing 210094,China )Abstract: This paper set up a clutter model for airborne early warning radar(AE W radar)with stochastic integral.By this model we realize that when array antenna is broadside,clutter process is a low -pass stationary process,and a snapshot obtained from array an -tenna i s a sampled sequence of it.Under the hypothesis that clutter is Gaussian,we obtai n the correlation function and power spectrum of clutter process.At the end of the paper,the model is veri fied by using the Mountain Top data.Key words: S TAP;airborne early warning radar;clu tter1 引言机载预警雷达在军事上意义重大.然而当雷达做下视时,强烈的地海杂波对目标检测构成了极大威胁.传统机载雷达的杂波抑制效果不很理想.七十年代初Reed 等人提出的时空二维自适应信号处理理论(STAP)[1]为机载预警雷达的杂波抑制提供了一种新的、更为有效的途径.设有一相干PD 雷达从一个N 元阵列天线上以脉冲重复周期T 发射M 个脉冲,相应地,从天线N 个阵元上得到某一距离门上的MN 个回波向量信号X.称X 为该距离门上的一个时空快拍.S TAP 可表述为如下的假设检验问题,原假设 H 0:X =N ,备择假设 H 1:X =S +N.其中,N =X c +X w +X i .X c 为地(海)杂波信号、X w 为接收机噪声、X i 为干扰、S 为目标回波信号.杂波信号中以地(海)杂波信号X c 为主.杂波信号的研究对分析STAP 的性能有极为重要的意义.Klem m 曾给出过一个机载预警雷达杂波模型[2,3].然而,该模型在数学上过于粗糙,理论分析中也难以使用.其他 点 反射杂波模型对于视野开阔、波束较宽的机载预警雷达也不适合.以下为方便计简称地(海)杂波为杂波.2 杂波模型相对于观察范围而言,机载雷达波长较短.此时杂波呈现为漫反射,既来自不同区域的杂波散射应为独立的随机变量.本文中假设天线为正侧面线阵且阵元无方向性,其结果可以很容易地推广到面阵上去.设在方位角为 、高低角为 的位置有一散射面(参见图1中阴影处),则t 时刻(相对于发射脉冲起始时刻)坐标u 处(坐标系固定在天线上,且正方向与飞行方向一致)阵元接收到的该处散射回来的杂波信号为C( , )(exp i (2 u cos ( )cos ( )+4 Vt cos ( )cos ( )))A ( )exp (i B( ))(1)式(1)中,V 是飞行速度、 是波长、C ( , )是阵元上的复电压增益,它由雷达方程决定[4].A ( )是随机幅度,先假设其服从Rayleigh 分布.B( )是随机相位,在此设其服从[0,2 ]区间上的均匀分布,则A ( )exp (i B( ))=A ( )cos B( )+i A ( )sin B( )(2)设X 1( )=A ( )cos B( )、X 2( )=A ( )si n B( ),则X 1( )、X 2( )是均值为零、方差相同且相互独立的正态随机变量.从而A ( )exp (i B( ))=X 1( )+i X 2( )是复正态随机变量.由漫反射形成的物理机制,可以认为距离环上不相交区域上散射的杂波信号是相互独立的.故可以把A ( )exp (i B ( ))看做是区间[0, ]上一个复Gauss 独立增量过程W( )在[ , + ]上的增量,即A ( )exp (i B( ))=W ( + )-W ( )(3)收稿日期:1998-07-14;修回日期:2000-04-03第9期2000年9月电 子 学 报ACTA ELECTRONICA SINICA Vol.28 No.9Sep. 2000图1 机载雷达天线几何位置图由于PD 雷达发射的是相干脉冲,且在一个相干处理间隔(CPI)内飞行平台的位移很小,故假设一个CPI 内无杂波起伏.从而可以认为t 时刻、u 坐标值处阵元上所接收的杂波信号作为距离环上各方向杂波漫反射的叠加.不考虑距离模糊时,该杂波信号可表示为下列随机积分的形式X(u,t)=C( , )expi (2u cos ( )cos ( )+4 Vt cos ( )cos ( ))dW( )(4)式(4)中的积分是随机积分,其中,W( )是[0, ]区间上的复Gauss 正交增量过程.令s =u +2Vt,式(4)还可以表示为X(s)=X(u,t )=C( , )e xp i 2(u +2Vt)c os ( )cos ( )dW( )(5) =C ( , )exp i s2cos ( )cos ( )dW ( )(6)此时X (s)的相关函数R(s 1,s 2)=E(X (s 1)X (s 2))=|C( , )|2exp i2(s 1-s 2)cos ( )cos ( )dF ( )(7)其中,F ( )是与W(相联系的增函数.可见(s )是一平稳Gauss 过程.在此,称X(s)为杂波过程.如果距离环上散射特性均匀,则可以认为W( )是[0, ]区间上的复Wiener 过程,即W ( )=W 1( )+i W 2( ).W 1( )、W 2( )是[0, ]区间上独立的实Wiener 过程,其中W 1( )~N (0, /2)、W 2( )~N (0, /2),则F ( )= .此时令v =2cos ( )cos ( ),则 =arc cos (v2 cos ( )).进一步有R( )=R(t 1,t 2)=2co s ( )-2cos ( )C(arc c os (v2 cos ( )), )22cos ( )2-v2e xp {i v }dv ,=t 1-t 2 (8)令f (v)=C(a rc co s (v2 cos ( )), )22cos ( )2-v2,v (-2 cos ( ),2c os ( ))v (-2 cos ( ),2c os ( ))(9)则R ( )=-f (v )exp {i v}dv (10)由式(8)可见f (v )就是杂波功率谱密度.即使当A ( )不服从Raylei gh 分布时.仍可以认定W ( )是[0, ]区间上的零均值正交增量过程,此时式(5)~(7)仍成立.这说明本文建立的杂波模型在距离环上的杂波漫反射不服从Gauss 白噪声时也依然成立,且杂波功率谱密度为f (v)=C(arc cos (v 2 cos ( )), )22cos ( )2-v2,m v 2 cos ( ),v (-2 cos ( ),2 cos ( ))v (-2 cos ( ),2 cos ( ))(11)其中m (x )是式(7)中F (x )关于Lebesgue 测度的Radon -Nikodym 导数[5].m(x )的大小反映了距离环上各处杂波散射强度.由于f (v)有紧支撑,所以X(t)是一低通平稳过程[5].从式(11)中可看出,当各距离环上m (x )形态近似时,在同一方向上,远场不同距离门上的杂波过程X (t)的相关函数R( )除相差一常数因子外结构上是近似一致的.这就为用相邻距离门上的二次数据(secondary data )估计被检测距离门上的杂波协方差矩阵的方法提供了理论上的依据.用R( )除R (0)得到归一化的相关函数R( )/R (0).图2、3给出了在正侧面线阵条件下不同观测方向的归一化的相关函数R ( )/R (0)及归一化的杂波功率谱的模.图2 天线波束指向不同时归一化相关函数的模图3 天线波束指向不同时归一化杂波功率谱的模图2、图3中发射阵为21个阵元Chebyshev 加权的线阵,阵元间距为 /2, (=0 3m )为载波波长.图中波束方位角由零增至 /2.图2中时空间距为式(6)中的s (=u +2Vt).距离环上的杂波散射特性均匀.3 阵元间信号的关系为方便计,以下不考虑距离模糊.设cos ( )=1,W ( )是Wiener 过程,阵元间距d = /2、阵元数为N 、脉冲重复周期为118 电 子 学 报2000年T 、脉冲数为M.令在时刻LT 、第K 个阵元上的信号X K ,L =X ((K -1) /2,(L -1)T ).则LT 时刻N 个阵元上得到的杂波信号向量为(X 1,L X 2,L X 3,L X N ,L )可以认为上述杂波信号向量是对X (t )在N 个时刻的采样,则E (X m,L X n,L )=-C(arc cos (v))22-v2exp {i (m -n)v}dv(12)E (X M,m X M,n )=-C (arc c os (v))22-v2exp {i4V T(m -n )v }dv (13)式(12)、(13)分别给出了同一时刻N 个阵元间及同一阵元M 个脉冲间的相关函数的值.除非4VT / =1,两个方向相关函数的结构是不一样的.设(X 1,1X 2,1 X N,1X 1,2X 2,2 X N,2 X N -1,M X N ,M )(14)为某一距离环上的时空快拍.按nd +2mVT 的大小将上述时空快拍{X n ,m }重新排序得到(X (1),X (2), ,X (NM ))(15)令R m,n =E(X (m)X (n)),则R =(R m,n )MN MN 是相应的协方差矩阵.事实上R 与上述时空快拍的协方差矩阵相似.由式(13)可以看出若存在整数对(n 1,m 1),(n 2,m 2)使n 1 /2+2m 1VT =n 2 /2+2m 2VT ,则X n 1,m 1=X n 2,m 2a.e 也就是说(X (1),X (2), ,X (NM ))中有两个相邻的分量是相同的概率为一.这种相同实际上是这两个杂波信号时空等价.特别地,当4VT / =1,既脉冲重复频率为最大杂波Doppler 频率二倍时(X (1),X (2), X (NM ))中存在大量时空等价的分量,此时杂波协方差矩阵的秩为N +M -1.4 Mountain Top 数据分析下面以Mountain Top data t38pre01v1数据为例验证本文的杂波模型.图4、图5所示为归一化杂波相关函数的估计的模沿阵元、脉冲方向的变化.图中曲线的变化趋势与图3中利用杂波模型算出的相关函数的模的归一化曲线的变化趋势是一致的.还可以利用比较杂波谱的方法对这里的杂波模型进行验证[7].图4 Mountai n Top 实验中 一组数据脉冲间的 杂波相关函数的模图5 M ountain Top 实验中 一组数据阵元间的杂波相关函数的模5 结论本文用随机积分的方法建立了一个正侧面阵机载预警雷达的杂波模型.当距离环上的杂波为正交增量过程时,得出阵元上的时空快拍是对低通平稳过程X(t)的采样.在距离环上杂波散射呈Gauss 白噪声时,给出了低通Gauss 杂波过程的功率谱密度(参见式(9)).当距离环上杂波散射不是Gauss 白噪声时,本文在式(11)中给出了更为一般的结果.另外,无论是从理论计算还是从Mountain Top 的数据分析来看,时空间距在10个载波波长以上的两个时空脉冲的相关性已变得很弱了.参考文献:[1] L.E.Brennan,I.S.Reed.Theory of adaptive radar [J].IEEE Trans,March 1973,AES -9(2):237-251.[2] R.kle mm.Adapti ve clutter s uppress ion for airborne phased array radars[J].IEE Pt.F,1983,130(1):125-132[3] R.kle mm.Adapti ve airborne M TI:an auxiliary channel approach [J].IEE Pt.F,1987,134(3):269-276.[4] D.H.Johnson,D.E.Dudgeon.Arrays Signal Processi ng.EnglewoodCli ffs [M ].NJ,PTR Prentice Hall,1993.[5] M.Loeve.Probability Theory [M ]. 、 4th Edi tion,Springer -Ver -lag,New York,1977.[6] Luoyi,Liu Guosui.Clutter model for airborne early warni ng radar [C].Proc.of Int.Symposium on Nois e Reduc tion for Imaging and Commun-i cation Sys tems.Tokyo,Japan,1998.[7] 罗毅.机载预警雷达杂波模型及降维STAP 方法的研究[D].南京理工大学博士毕业论文,1999,10.作者简介:罗 毅 1964年出生,南京理工大学电光学院电子工程技术研究中心博士生,1988年获陕西师范大学理学学士学位.1991年获西安交通大学理学硕士学位.感兴趣的领域为随机信号处理、阵列信号自适应处理、宽带通信理论和小波变换理论.刘国岁 1933年出生,1953年毕业于张家口通信工程学院,现为南京理工大学电光学院教授、博士生导师,中国电子学会会士,IEEE 高级会员,纽约科学院院士,中国电子学会无线电定位学会和信号处理分会理事.多年来从事噪声雷达的研制及神经网络、模糊系统、目标识别、阵列信号处理、连续波雷达和合成孔径雷达、混沌信号处理的研究.著有专著两本,已在国内外发表论文120余篇.119第 9 期罗 毅:机载预警雷达杂波模型。
机载相控阵雷达杂波建模与仿真-Read
第二章机载相控阵雷达杂波建模与仿真§2.1引言众所周知，雷达体制及工作环境不同，雷达杂波的特性也不同。
机载雷达工作在下视状态，地（海）杂波是影响雷达探测性能的主要因素，因此，在研究AEW雷达CFAR检测算法之前，有必要获得对雷达杂波特性的充分认识。
鉴于机载雷达的杂波与反射地类有关且随时间变化，即不同的地类（如海洋和高山）有不同的分布特性，同一地类在不同时刻分布参数也有变化。
研究雷达杂波特性的方式有两种，一是对实际测量的杂波数据进行统计分析，二是结合AEW 雷达的实际体制与参数，对不同地类（如沙漠、农田、海洋、丘陵和高山等）用不同的杂波起伏模型进行建模与仿真。
相比较实测数据而言，仿真数据虽然不能完全真实地反映实际环境中的复杂情况，但其也有自身的优点，如参数可以灵活控制、代价小等。
长期以来，国内外雷达界同行在雷达杂波特性分析方面做了大量的工作，建立了一系列的杂波模型。
随着雷达新体制的不断涌现，对雷达杂波特性的研究也在不断的深入。
新一代AEW雷达采用相控阵和脉冲多普勒（PD）体制。
有关机载相控阵雷达杂波仿真问题，在以往的文献中已有涉及[115~117]。
其中，文献[115]对有关雷达杂波仿真的方法进行了较为全面和详细的介绍，文献[116]讨论了平面相控阵机载雷达二维杂波数据仿真的数学模型。
该模型考虑到了阵元幅相误差以及载机的姿态变化等因素，具有一定的通用性。
但该模型只假设杂波的功率谱为高斯分布，幅度上无起伏，而没有考虑非高斯过程。
文献[117]建立了比较了完整的杂波数据库，但该文也只重点讨论了二维杂波谱的特性。
由于我们的目的是进行CFAR检测方法研究，所以我们从另一个角度出发，重点讨论了杂波数据的概率密度函数，我们还给出了仿真杂波数据的幅度图和概率密度图以及一些结论。
本章主要对机载相控阵雷达在不同地类和不同起伏模型下的杂波进行建模与仿真，目的是建立起比较完整的杂波仿真平台和杂波数据库，为后续的CFAR算法研究提供支撑。
机载脉冲多普勒雷达地杂波测量及的分析论文
图３．３．２．１．１归一化立体波瓣图
在机载脉冲多普勒雷达中，天线下半平面的副瓣往往对地杂波强度有直接影响。
在图３－４中即为俯仰角小于０。
的部分，在以后的分析中可以看到天线副瓣的影响。
３．３．２．２天线波束方向计算
为了进行杂波计算，必须有天线波束在地理坐标系下的方位、俯仰。
其方位、俯仰的获得有载机姿态和天线姿态（机体坐标系）获得：
图３．３．２．１．２天线波束指向计算
３．３．３杂波计算
假定天线方位角为００，俯仰角为ｏ．，无横滚．根据图３．３．２．１．１的天线方向图进行地杂波仿真计算，得到的杂波图如图３．３．３．１、图３．３．３．２所示：
图３．３．３．１距离门．频率门杂波图
从图中可以看出，主杂波强度很大，占据一定的宽度，副瓣杂波占据比较宽的频率门和距离门，呈现弧形分布，其它区域杂波强度比较均匀。
图３．３．３．２频率门杂波统计图
（２）一套数据记录设备，用于对数据进行记录，便于进行事后分析；
（３）一套惯导，提供雷达真实的载机姿态数据，便于雷达对天线进行空域稳定，保证测试条件不因载机姿态发生变化；
（４）一套雷达控制设备，将雷达控制到所需要的工作模式。
图４．２．１杂波测试框图
平台准备完毕，进行地形选择，对需要测量的地形进行航空测量。
其中雷达完成对雷达天线的空域稳定，保证雷达天线在整个测试过程中在地理坐标系下指向不变。
图４．２．２航空测量示意图
进行航空测量所采取的操作流程如下：。
(完整版)雷达系统中杂波信号的建模与仿真
1.雷达系统中杂波信号的建模与仿真目的雷达的基本工作原理是利用目标对雷达波的散射特性探测和识别目标。
然而目标存在于周围的自然环境中,环境对雷达电磁波也会产生散射,从而对目标信号的检测产生干扰，这些干扰就称为雷达杂波。
对雷达杂波的研究并通过相应的信号处理技术可以最大限度的压制杂波干扰，发挥雷达的工作性能.雷达研制阶段的外场测试不仅耗费大量的人力、物力和财力，而且容易受大气状况影响,延长了研制周期。
随着现代数字电子技术和仿真技术的发展,计算机仿真技术被广泛应用于包括雷达系统设计在内的科研生产的各个领域，在一定程度上可以替代外场测试，降低雷达研制的成本和周期。
长期以来，由于对杂波建模与仿真的应用己发展了多种杂波类型和多种建模与仿真方法。
然而却缺少一个集合了各种典型杂波产生的成熟的软件包，雷达系统的研究人员在需要用到某一种杂波时，不得不亲自动手，从建立模型到计算机仿真,重复劳动，造成了大量的时间和人力的浪费.因此，建立一个雷达杂波库，就可以使得科研人员在用到杂波时无需重新编制程序,而直接从库中调用杂波生成模块,用来产生杂波数据或是用来构成雷达系统仿真模型，在节省时间和提高仿真效率上的效益是十分可观的。
从七十年代至今已经公布了很多杂波模型，其中有几类是公认的比较合适的模型。
而且，杂波建模与仿真技术的发展己有三十多年的历史,己经有了一些比较成熟的理论和行之有效的方法，这就使得建立雷达杂波库具有可行性。
为了能够反映雷达信号处理机的真实性能，同时为改进信号处理方案提供理论依据,雷达杂波仿真模块输出的杂波模拟信号应该能够逼真的反映对象环境的散射环境。
模拟杂波的一些重要散射特性影响着雷达对目标的检测和踉踪性能,比如模拟杂波的功率谱特性与雷达的动目标显示滤波器性能有关;模拟杂波的幅度起伏特性与雷达的恒虚警率检测处理性能有关。
因此，杂波模拟方案的设计是雷达仿真设计中极其重要的内容,杂波模型的精确性、通用性和灵活性是衡量杂波产生模块的重要指标。
机载雷达杂波抑制优化与性能分析
空时谱。仿真结 果表明 ： 低脉 冲重复频率和 中脉 冲重复频率使杂波谱扩散 ； 随着脉 冲重 复频率 的减 少 ， 杂波 的相 关度减少 ；
Ｓ Ｔ Ａ Ｐ法适合 高脉冲重 复频率 的情形 ， 为抑制雷达杂波提供 了依据 。 关键词 ： 脉冲重复频率 ； 杂波 ； 协方 差矩阵 ； 空时 自适应 处理
第 ３ Ｏ 卷 第４ 期
文章编号 ： １ ０ ０ ６—９ ３ ４ ８ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ４— ０ １ ０ ８—０ ４
计
算
机
仿
ห้องสมุดไป่ตู้真
２ ０ １ ３ 年４ 月
机 载 雷 达 杂 波 抑 制 优 化 与 性 能 分 析
刘 小洋 ， 李 勇 ， 李瑞克
（ 西北工业大学 电子信息学院 ， 陕西 西安 ７ １ ０ １ ２ ９） 摘要 ： 为了有效分析机载雷达杂波抑制特性和提高 目标检测性能 。建立 了天线 行子阵 和列 子阵 的天线 发射方 向图模 型 ， 同 时采用空时 自适应处理 （ Ｓ ｐ ａ ｃ ｅ Ｔ ｉ ｍｅ Ａ ｄ ａ ｐ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇ ， Ｓ Ｔ Ａ Ｐ） 的机载雷达杂波分析方 法 ， 根据 目标 的导向矢量 和杂波与噪 声的协方差矩 阵建立 了杂波功率谱 的数学模型 ， 选取不 同的脉 冲重复频率仿真分析 ＾ 『杂波的特征值谱和改善因子以及杂波
ＡＢＳ ＴＲＡＣＴ ： Ｉ ｎ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｔ ｏ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｔ ｈ ｅ ｃ ｌ ｕ ｔ ｔ ｅ ｒ ｓ ｕ ｐ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｉ ｒ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ａ ｉ ｒ ｂ ｏ ｒ ｎ ｅ ｒ ａ ｄ ａ ｒ ａ ｎ ｄ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｅ ｆ ｒ ｏ ｒ ｍａ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｒ ａ ｄ ａ ｒ ｔ ａ ｒ ｇ ｅ ｔ ｉ ｎ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ， ｔ ｈ ｅ ａ ｎ ｔ ｅ ｎ ｎ ａ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｍｉ ｔ ｔ ｉ ｎ ｇ ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｇ ｒ ａ ｐ ｈ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｓ ｏ ｆ ｌ ｉ ｎ ｅ ｓ ｕ ｂ—ｍａ ｔ ｒ ｉ ｘ ａ ｎ ｄ ａ ｒ ｒ ａ ｙ ｓ ｕ ｂ—ｍａ ｔ ｒ ｉ ｘ ｗｅ ｒ ｅ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｅ ｄ ．Ａｔ ｔ ｈ ｅ ｓ ａ ｍｅ ｔ ｉ ｍｅ ，ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｓ ｐ ａ ｃ ｅ—ｔ ｉ ｍｅ ａ ｄ ａ ｐ ｔ ｉ ｖ ｅ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ａ ｉ ｒ ｂ ｏ ｎｅ ｒ ｒ ａ ｄ ａ ｒ ｃ ｌ ｕ ｔ ｔ ｅ ｒ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ａ ｎ ｄ ａ ｃ ｃ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｔ ａ ｒ ｇ ｅ ｔ ｏ ｒ ｉ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ｖ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｖ ａ ｉ ｒ ａ ｎ ｃ ｅ ｍａ ｔ ｉ ｒ ｘ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｎ ｏ ｉ ｓ ｅ ａ ｎ ｄ ｃ ｌ ｕ ｔ ｔ ｅ ｒ ， ｔ ｈ ｅ ｃ ｌ ｕ ｔ ｔ ｅ ｒ ｐ ｏ ｗｅ ｒ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｕ ｍ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｍａ ｔ ｈ ｅ ｍａ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｍｏ ｄ ｅ ｗａ ｓ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｅ ｄ ．Ｗ ｅ ｈ ａ ｖ ｅ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｚ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｃ ｌ ｕ ｔ ｔ ｅ ｒ ｔ ｈ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｖ ａ ｌ ｕ ｅ ｏ ｆ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｕ ｍ ，ｔ ｒ ｈ ｅ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｎ ｇ ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ ，ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｃ ｌ ｕ ｔ ｔ ｅ ｒ ｓ ｐ ａ ｃ ｅ—ｔ ｉ ｍｅ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｕ ｍ ｒ ｂ ｙ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｐ ｕ ｌ ｓ ｅ ｒ ｅ ｐ ｅ ｔ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｉ ｅ ｓ ．Ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｌ ｏ ｗ ｐ ｕ ｌ ｓ ｅ ｒ ｅ ｐ ｅ ｔ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ ａ ｎ ｄ ｍｏ ｄ ｅ ｒ ａ ｔ ｅ ｐ ｕ ｌ ｓ ｅ ｒ ｅ ｐ ｅ ｔ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｆ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ ｍａ ｋ ｅ ｔ ｈ ｅ ｃ ｌ ｕ ｔ ｔ ｅ ｒ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｕ ｍ ｄ ｉ ｆ ｆ ｕ ｓ ｅ ．Ａｌ ｏ ｎ ｇ ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｐ ｕ ｌ ｓ ｅ ｒ ｅ ｐ ｅ ｔ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ ｄ ｅ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ，ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｒ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｃ ｌ ｕ ｔ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｌ ｅ ｓ ｓ ，ｔ ｈ ｅ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｏ ｆ Ｓ Ｔ Ａ Ｐ ｉ ｓ ｓ ｕ ｉ ｔ ａ ｂ ｌ ｅ ｆ ｏ ｒ ｈ ｉ ｇ ｈ ｐ ｕ ｌ ｓ ｅ ｒ ｅ ｐ ｅ ｔ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｆ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ ． ＫＥＹＷ ＯＲＤＳ： Ｐ ｕ ｌ ｓ ｅ ｒ ｅ ｐ ｅ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ ； Ｃ ｌ ｕ ｔ ｔ ｅ ｒ ； Ｃ ｏ ｖ ａ ｒ ｉ ａ ｎ ｃ ｅ ｍａ ｔ ｒ ｉ ｘ； Ｓ ｐ ａ ｃ ｅ ｔ ｉ ｍｅ ａ ｄ ａ ｐ ｔ ｉ ｖ ｅ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇ
机载MIMO雷达地杂波功率谱仿真分析
现 代 雷 达
Ｍｏ ｅ ｎ Ｒ ｄ ｒ ｄ ｒ ａ ａ
Ｖｏ ． Ｎｏ． １３２ １
Ｊｎ ０ ０ ａ ．２ １
・
．
总体 工程 ・
中 分 号： ９ ． ； ９８ 文 标识 Ａ 图 类 Ｔ ５７ Ｔ ５ Ｎ ９３ Ｎ 献 码：
文 编 １４ ７ ９２１ ０—０ —５ 章 号：０—８ （ ０ １０１ ０ ０ ５ ０） ７
配、问 就 上
收子阵对每个发射子阵发射的信号进行 匹配滤波 ， 经 过相 位补偿 后合 成 ， 成 发射波 束形 成 ， 收 子阵之 间 完 接 再进行接收数字波束形成 ， 从而同时获得 了发射和接 收天线 增益 ， 可 同 时完 成 多 个 功 能 。 由于 ＭＩ 并 ＭＯ雷 达在 发射 端 和接 收 端 同时 采 用 了数 字 阵 技 术 ， ＭＯ ＭＩ 雷达在抗杂波 、 抗干扰、 低截获等性能方面 ， 与传统雷
后将各单元 回波信号采用矢量相加求得相干视频信号 ； 然后给 出了机载 多输 入多输 出雷达地杂波 回波信号分别经 过波束
合成和匹配滤波合 成后 杂波功率谱的峰值 ， 并分析其经不 同处 理而 获得不 同增益值 的原 因。同时 ， 对多天线 接收 和存 在
干扰条件下的地杂波功率谱进行了仿真 ， 仿真结果表 明计算 的正确性 。 关键词 ： 地杂波 ； 相干视频信号 ； 机载多输入多输出雷达
ｉ ａ ｈ ｐ ｏ ｅ ｓ ｇｉ ｎ ｙ ｅ ．Ｍｏ ｅ ｖ ｒ ｈ ｒ ｕ ｄ ｃｕ ｔｒＰ Ｄ ｉ ｌｔ ｎ ｕ ｄ ｒｃ ｎ ｉ ｏ ｆ ｌｉ ｎ ｅ ｎ ｅ ｅｖ ｉ ｔｒ ｒ ｎ ｅ ｃ ｒｃ ｓ ｉ ｓａ ａ ｚ ｄ ｎ ｌ ｒ ｏ ｅ ，ｔｅ ｇ ｏ ｎ ｌ ｔ Ｓ ｓ ｅ ｍｕ ａｉ ｎ ｅ ｏ ｄ ｔ ｎ ｏ ｔ ａ ｔ ｎ ａ ｒ ｃ ｉｅ ｗ ｔ ｉ ｅ ｆ － ｏ ｉ ｍｕ — ｈｎ ｅ ｅ ｃ ｓｇ ｖ ｎ ｎ ｅ ｉ ｉｅ ．Ｔ ｅ ｓ ｌｔ ｎ ｒｓ ｌ ｅｉ ｈ ｆ ｃｉｅ ｅ ｓｏ ｅ ｍｅｈ ｄ ｈ ｉ ａｉ ｅ ｕｔ ｖ ｒ ｙ ｔ ｅ ｅ ｅ ｔ ｎ ｓ ｆｔ ｔ ｏ ． ｍｕ ｏ ｓ ｆ ｖ ｈ
机载预警雷达杂波仿真与分析
重要 作 用 。 首 先 分 析 了机 载 雷 达 预 警 杂 波 距 离一 多普 勒 二 维 功 率 谱 的 仿 真 机 理 ， 然后 对仿 真 杂 波 各 个 流 程 进 行 了详 细 的 分 析 ， 比较 分 析 了 多 个仿 真 环 节 中 参 数 的 不 同选 择 对 仿 真 结 果 的 影 响 ， 优 化 出更 为合 理 且 适 用
ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｏ ｆ ｃ ｌ ｕ ｔ ｔ ｅ ｒ ’ Ｓ ｒ ａ ｎ ｇｅ － Ｄｏ ｐｐｌ ｅ ｒ ｓ ｐｅ ｃ ｔ ｒ ｕｍ ｈａ ｓ ａ ｓ ｉ ｇｎｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｎｔ ｉ ｍ ｐａ ｃ ｔ ｏｎ ｒ ａ ｄａ ｒ ｄｅ ｓ ｉ ｇｎ ． Ｆｉ ｒ ｓ ｔ ｌ ｙ， ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏｎ
Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ Ｃｌ ｕ ｔ ｔ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ Ａｉ ｒ ｂ ｏ ｒ ｎ ｅ Ｅａ ｒ ｌ ｙ Ｗａ ｒ ｎ ｉ ｎ ｇ Ｒａ ｄ ａ ｒ
ＮＩ Ｕ Ｌｉ — ｍｉ ｎ，ＤＵ Ｋｕｉ ，ＺＨＡＮＧ Ｃｈ ｕ ｎ — ｃ ｈｅ ｎ ｇ
波 的形成 机理 及 其 功率 谱 特 性 认 识最 为关 键 。通
１ 引 言
（ Ｎｏ ． ３ ８ Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｃ ＥＴ Ｃ，Ｈｅ ｆ ｅ ｉ ２ ３ ０ ０ ８ ８ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ） Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｃｌ ｕ ｔ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｈ ｅ ｃ ｈ ｉ ｅ ｆ ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｉ ｎ ｒ ｅ ｓ ｔ ｒ ｉ ｃ ｔ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ａ ｉ ｒ ｂ ｏ ｒ ｎ ｅ ｅ ａ ｒ ｌ ｙ ｗａ ｒ ｎ ｉ ｎ ｇ ｒ ａ ｄ ａ ｒ ．Ｔｈ ｅ
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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
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
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
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
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
ej2πk(2V r T) cosψi/λ
(3)
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,
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
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
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
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)
© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
2010 年第 4 期
严韬 :机载 M IMO 雷达杂波建模及杂波特性分析
2 91
何关系近似不变 。
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 。
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) =
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)
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 。
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
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
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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 。
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