来源 | 雷达信号处理matlab

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多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）雷达是把无线通信系统中的多个输入和多个输出技术引入到雷达领域，并和雷达数字阵列技术相结合而产生的一种新体制雷达。

MIMO雷达基本原理

下图为无线通信系统中的几种信号传输模式。可以看出，相比于单输入或单输出系统，MIMO 系统允许同时发送和接收多个信号，通过对不同信号的区分，可以在不增加带宽的条件下，提高系统容量、覆盖范围和信噪比。

图源自网络

与通信系统相类似，在 MIMO 雷达中，多输入是指同时发射多种雷达信号波形（一般是多个天线同时发射不同的波形），多输出是指多个天线同时接收并通过多路接收机输出以获得多通道空间采样信号。MIMO 雷达原理图如下图所示。

由图可知，MIMO 雷达通常包含多个发射天线和多个接收天线（可以收发共用），各发射天线发射不同的信号波形，各发射信号经过目标反射后被多个接收天线接收，并经过多路接收机后送给信号处理机进行后续处理。

MIMO雷达与相控阵雷达区别

与同样具有多天线的相控阵雷达相比，MIMO雷达系统中各阵元发射的信号不再是一组相干信号，而是一组相互正交或部分相关信号。

此时各信号在空间叠加后不会形成高增益的窄波束，而是会形成低增益的宽波束，对较大的空域范围同时实现能量覆盖，从而实现对大空域范围内的目标同时进行跟踪和搜索。

图源自网络

如图所示，当 MIMO 雷达各发射信号相互正交时，其发射能量覆盖没有方向性，在所有方向增益相同；当各发射信号部分相关时，则其发射能量覆盖为低增益的宽波束，波束指向和波束宽度由发射信号波形及其相位决定。

综上所述，MIMO 雷达应该是相控阵雷达的一个扩展（即波形由完全相同扩展到波形不同），相控阵雷达则是 MIMO 雷达的一个特例。因为其平台完全可以根据波形设置工作在相控阵雷达模式上。相控阵雷达工作原理如下图所示。

图源自网络

其实当 MIMO 雷达工作在相控阵模式时，其完全变成了一个数字阵列雷达，数字阵列雷达的基本原理与相控阵雷达相同，只不过是每个发射天线阵元都对应一个波形产生器，每个波形产生器都产生波形相同初相不同的波形，等效于用多个波形产生器代替了相控阵雷达中的移相器。

需要强调的是 MIMO 雷达通常发射宽波束或者同时多个独立波束，这时其接收波束的覆盖也需要和发射波束能量覆盖相同，因此其往往需要同时形成多个接收波束，所以 MIMO 雷达一定是 BDF 体制的系统。

传统的机械扫描雷达由于只发射一种信号波形，也只有一路接收机输出，其属于单输入单输出雷达；单脉冲雷达只发射一种信号波形，一般有两路（和波束与差波束）接收机输出，其属于单输入双输出雷达。单脉冲雷达原理图如下图所示。

图源自网络

相控阵数字波束形成（Digital Beamforming，DBF）体制雷达多个发射天线同时发射相同波形的信号，多个接收天线也同时接收信号并经多路接收机输出，它可以看作单输入多输出雷达。

MIMO雷达分类

根据发射和接收天线中各单元的间距大小，可以将 MIMO 雷达分为分布式 MIMO 雷达（又称统计 MIMO 雷达或非相干 MIMO 雷达）和集中式 MIMO 雷达（又称相干 MIMO 雷达）两类。

分布式 MIMO 雷达中收发天线各单元相距很远，使得各阵元可以分别从不同的视角观察目标，从而获得空间分集，克服目标雷达截面积（Radar Cross Section，RCS）的闪烁效应，提高雷达对目标的探测性能。

集中式 MIMO 雷达的收发天线各单元相距较近，各个天线单元对目标的视角近似相同，且每个阵元可以发射不同的信号波形，从而获得波形分集，使得集中式MIMO雷达具有虚拟孔径扩展能力及更灵活的功率分配能力，改善系统的能量利用率、测角精度、杂波抑制及低截获能力等性能。

需要说明的是，虽然分布式 MIMO 雷达强调的是空间分集，但是其各发射单元的波形也是不同的（通常是相互正交的），即也是波形分集的。

MIMO工作原理

因为 MIMO 雷达允许在每个天线单元上同时发射不同的波形，故其天线方向图不是指向唯一的方向上，而是由每个单独发射机发射时空编码组成。

当接收机捕获到 MIMO 雷达信号回波时，就可以通过一组匹配滤波器（MF）提取出编码信息，每个MF都适用于特定的波形。所提取的每个分量包含一个传输路径的信息，将收集到的信息一起处理，就可恢复整个发射方向角的信息。

MIMO雷达的优点

• MIMO雷达抗截获性强

传统雷达为了检测到 RCS 较小的目标，往往采用高峰值功率，从而易于被敌方截获到。MIMO 雷达不同于传统雷达，降低了峰值辐射功率和发射天线增益。

与具有相同阵元数的相控阵雷达相比，MIMO 雷达的峰值功率为相控阵雷达的1/M，发射天线增益也是相控阵发射增益的1/M。

当 MIMO 雷达采用双／多基地的配置形式时，接收阵和发射阵相距很远，即能够截获到 MIMO 雷达的信号，也无法确定接收阵所在的位置。从而具有良好的抗反辐射打击和反电子干扰能力。

• MIMO 雷达的虚拟阵

MIMO 雷达的另一个明显的优势是可以利用少数实体物理阵元形成具有多个虚阵元的虚拟阵列，从而扩展了阵列的孔径，提高了阵列的角度分辨力，如下图所示。

MIMO 雷达虚拟阵的一个典型应用是用于雷达二维成像，雷达二维成像的距离分辨力主要取决于雷达信号的带宽，方位分辨力主要取决于天线的波束宽度。

要提高成像的距离分辨力，需要增加雷达信号的带宽，是相对比较容易的。而要提高雷达信号的方位分辨力，需要增大天线或阵列的孔径，而这在实际中受到多方面因素的限制有很大的难度。

目前广泛采用的解决办法是采用合成孔径技术，在不增加天线物理尺寸的基础上，得到大孔径的阵列。与合成孔径的思想不同，MIMO 雷达是利用多发多收的天线结构等效形成虚拟的大孔径阵列，获得方位上的高分辨力。

这种虚拟阵的形成是实时的，能够避免传统的ISAR成像中存在的运动补偿问题。故MIMO雷达在成像应用上有其独特的优势。

MIMO雷达的缺点

• MIMO 雷达的信噪比损失

MIMO 雷达与传统相控阵雷达相比，存在着系统信噪比的损失。由于 M 个发射阵元发射相互正交的信号，无法在空间实现相干叠加，导致发射天线阵的增益降低，进而导致系统的信噪比降低。

MIMO 雷达要达到与相控阵雷达相同的检测性能，需要 M 倍于相控阵雷达的脉冲积累时间。由于 MIMO 雷达采用宽波束发射，同时多波束接收，一次积累时间内观测的空域范围大大宽于相控阵雷达，完成对整个探测空域的搜索时间与相控阵雷达大抵相同。

在搜索状态下，MIMO 雷达的信噪比损失虽然可以说是一种牺牲时间来换取空间的做法，但增加相干积累时间的方法在工程实现中存在诸多问题，如接收通道的成本、复杂性、目标散射及其传播路径的变化等。

在对高速目标进行探测时，增加相干积累时间尤为困难。而在跟踪状态下，MIMO雷达的信噪比损失则是没有获得任何好处，所以 MIMO 雷达不适合于做目标跟踪以及对目标进行“烧穿”工作。

• MIMO雷达模糊区域大

对于使用了 M 个具有相同能量、带宽和占空比的信号的 MIMO 雷达，其模糊函数在主峰周围的最大的清晰区不会超过4/M。而常规的使用单个波形工作的相控阵雷达，其模糊函数的清晰区的面积上限为4。即MIMO雷达模糊函数的清晰区面积只有传统雷达模糊函数清晰区面积的1/M。

相当于MIMO雷达可用于目标检测的距离-多普勒空间被压缩了M倍，导致MIMO雷达在目标检测时更容易出现距离折叠或多普勒模糊,这将极大的限制MIMO雷达的目标检测性能，这也是现有的可实现的MIMO雷达基本上都工作于米波波段的原因之一。

因为在米波波段,目标的多普勒频率较低，即使雷达选择较低的工作重频也不会出现多普勒混叠，而低重频又可以避免距离上的折叠。但米波波段的缺点是导致MIMO雷达的体积太大，应用场合受限。

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