这篇主要是学习一下MIMO雷达的基础知识和相控阵的部分基础知识，因为二者其实是有部分连续的，所以将MIMO雷达和相控阵雷达放在了一起，便于自己的学习和理解。另外本篇文章主要参考的是《MIMO雷达》这本书，书中有大量的推导公式，让大家有一个更清晰的认知。但这篇文章和后面相关文章不会有大量的公式推导，如果想要对MIMO雷达的信号有更清晰的认识的话。大家可以看一下这本书，内容还是很详细的。

一、MIMO雷达基础知识

　　MIMO雷达根据发射天线位置与目标参数之间的关系，可大致分为两个类别，一类是共址MIMO雷达，另一类是分置天线MIMO雷达。

　　1、 共址MIMO雷达

　　共址雷达MIMO雷达的阵列结构十分类似于普通相控阵雷达，以一维均匀线阵为例进行介绍，假设阵元间距为d（通常设为半波长），目标位于θ方向。

 

　图1 共址MIMO雷达原理图

　　与普通相控阵天线不同，这里每个天线的阵元发射不同的信号波形，分别为s1(t),s2(t),……sM(t)。以第一个阵元为例，第m个阵元的发射信号到达目标处照射到目标的信号为：

　　η1为发射传输损耗，设对各个信号相同；τm为相对与第一个阵元的延时，即

　　通常认为信号为窄带信号，则近似为：

　　考虑到全部M个发射信号，则照射到目标的全部合成信号为：

　　信号p(t)经目标反射形成回波，被第n个阵元接收的回波为：

 

　　上式中的，η2包括目标散射RCS、回波传输损耗；η=η1η2；对接收的全部回波信号进行处理，完成目标检测和参数估计。

　　可以看出共址MIMO雷达的特点是，阵元位置间隔远远小于目标距离，这就使得，对每一个发射信号，所有目标参数相同（除阵元位置不同引入的信号相位差外），这些参数包括目标方向角度、目标距离、目标多普勒频率和雷达散射截面积RCS等。

　　2、分置MIMO雷达

　　分置MIMO雷达原理如下图所示，同共址MIMO雷达一样，也是每个天线发射不同的信号，不同点是分置MIMO雷达各个阵元之间相隔很远，使得每个阵元对同一个目标可能呈现不同的观测参数。

图2.分置MIMO雷达

　　如上图所示，根据阵元间隔d相对目标距离R的相对大小，各阵元接收目标回波的RCS大致可分为三类：

　　1、 满足d<<R,则可以认为各个天线是从同一个方向照射与接收目标回波信号，并且各个天线信号是相参发射与接收的，此时可认为各天线接收的目标回波RCS是同一个复数（幅度和相位均相同），通过对信号传播延时的补偿，可实现各个信号的相参积累，这种情况和共址MIMO雷达相似。

　　2、 与1类似，同样满足d<<R,但各个天线发射和接收信号是非相参的，使得各个天线，导致各个接收天线的目标回波RCS是一个幅度相同、相位随机的复数（通常认为相位在0~2π上均匀分布），此时不能相参积累。

　　3、 不满足d<<R,也就是说各个天线是从不同方向照射与接收目标回波信号，此时不论天线信号是否相参，各个天线接收的目标回波RCS可认为是幅度和相位均不同的复数（幅度和相位为随机数），此时也不能进行相参积累。

对具有一般性的第三种情况简单介绍信号的发射和接收。如分置MIMO雷达图，图中阵元1发射信号S1(t)，经过目标散射后，各个接收阵元（包括阵元1）都会收到目标对S1(t)的散射信号，第m个接收天线阵元收到的S1(t)的散射信号为：

　　考虑到M个发射信号，则第m阵元收到的合成信号为：

 

　　上式中散射系数为第k个天线发射的信号，经过空间损耗、目标散射、最后被第m个天线接收的信号的幅度值；为空间传播延时引起的相位差。对全部M个接收信号进行信号处理，可实现对目标的检测和参数估计。

　　分置MIMO雷达的特点是，当各个阵元位置间隔较大时，对同一个空中目标，各个阵元接收到的目标回波信号将体现不同的目标参数，即不同的目标方向角度，不同的目标距离，不同的目标多普勒频率（由于运动目标相对雷达的径向速度不同导致多普勒频率不同），以及不同的目标散射系数。

二、相控阵雷达基础知识：

　　1、传统相控阵雷达

　　相控阵雷达是通过移相器改变各个天线收发信号的馈电相位，从而使得雷达的波束在空间进行扫描。传统有源相控阵雷达原理如图所示，其特点是发射给各个TR组件的信号相同。工作原理如下图所示：

 

 图3 传统相控阵雷达原理 

　　发射信号由图中左侧的发射信号产生与传输单元产生，由基于DDS的发射波形产生中频的发射信号波形x1(t)（例如中频频率为200MHz），经过上变频得到射频频率（如S波段，3GHz）信号x2(t)，，经过功放后，得到信号x3(t),信号x3(t)经过功分器，被分配到各个TR组件中，作为TR组件的发射信号输入。发射信号在TR组件中经过移相、放大、滤波等操作，最后经过天线发射出去。

　　发射信号在空间经目标反射后，形成回波，经各个天线接收，在TR组件中经过低噪放（LNA）、移相、滤波后，得到回波射频信号（频率与发射时相同，例如S波段频率3GHz）,如上图中的y1(t), y2(t) ,…,yM(t);上述信号在接收功率合成模块中实现射频合成（接收波束形成），得到相控阵雷达的接收射频信号z1(t)，经过下变频、中放。得到接收中频信号，在经过A/D变换、数字下变频后得到雷达接收的数字复基带信号（I通道和Q通道）；

最后用数字信号处理的方法完成目标检测和参数估计。

　　2、数字阵列雷达：

　　数字阵列雷达发射时，将各个数字TR组件所需要的发射的波形参数，通过传输线，分发给各个数字TR组件，各个TR组件各自产生自己的发射信号，经上变频、功放后，从收发天线发射出去，其主要特点是各个TR组件发射波形可以不同。

　　数字阵列雷达接收时，回波信号经收发天线接收进入数字TR组件，在组件中完成LNA、下变频、AD变换等，得到接收的数字信号。如图中的Y1[n] ,Y2[n], Y3[n],…,YM[n],。

　　各个数字TR组件的接收数字信号经传输线传输到数字接收功率合成模块，实现数字功率合成（又叫数字波束形成），得到数字阵列雷达的接收信号z4[n]，最后进行目标检测和参数估计。

　　与普通相控阵雷达不同的是，数字阵列雷达通过参数设置，可使得各个阵元独立产生不同的发射信号，这就为MIMO雷达的实现提供了硬件支持。