MIMO架構的起源

MIMO表示多個發射多個接收的意思。MIMO雷達概念是指多個輻射站（點）和接收站（點）。除了多收多發的結構外，MIMO的思想來源于“分集“的概念。根據分集技術，各接收天線元應接收不同的信息，進而提高系統的整體性能，如（通信中）鏈路質量、雷達檢測概率或定位精度。

從處理的角度來看，MIMO雷達允許在接收時通過數字波束形成（DBF）形成“事后”傳輸圖。在某種程度上，與先前出現的發射相控陣波束形成概念一致，MIMO概念實現了“數字化”雷達。

MIMO并不是一個新概念，它是為通信應用而開發的，它為減輕多徑衰落環境下的信號傳輸提供極大的優勢。MIMO在雷達領域應用是最近才出現的。雷達的第一次引入MIMO體系架構也可能是80年代末，當時并不叫MIMO，是巴黎薩克雷大學的國立航空研究辦公室（ONERA）發明的RIA。

同時，利用兩個同心圓陣列制作了一個演示系統來演示MIMO的能力。緊隨其后的研究工作，例如法國湯姆森公司（現為泰勒茲公司）的（RIAS），以及類似中國用于預警監視和跟蹤的雷達。

MIMO雷達概念

與單收多發（SIMO）雷達相反，MIMO雷達允許在每個天線單元上同時傳輸不同的波形，導致天線圖沒有聚焦在一個唯一的方向上。因此，它由每個單獨發射機發射空時編碼組成。

上圖說明了SIMO和MIMO配置之間的差異。一旦接收機捕獲到這些波形，就可以通過一組匹配濾波器（MF）提取出編碼信息，每個MF都適合于特定的波形。所提取的每個分量包含一個傳輸路徑的信息。然后將收集到的信息一起處理。就可恢復整個發射方向角的信號。

兩種基本的工作原理：

?統計MIMO雷達：發射陣元（和接收陣列元件）間隔較遠，為每個天線提供獨立的電磁散射響應。利用發射和接收的分集可以提高角度檢測性能。

?相干MIMO雷達：發射陣元（和接收陣元）間隔較近，因此目標位于發射（和接收）天線陣的遠場。假設目標的電磁散射響應對于每個天線對子是相同的，包括一些小的延遲特性。當使用優化的稀疏陣列時，譜估計性能會得到顯著提高。

圖：MIMO虛擬陣列示意圖，它是發射天線單元（此處為稀疏陣列）與接收天線單元的位置的卷積。

在某種意義上，MIMO系統的性能可以通過由發射和接收天線位置的卷積構造的虛擬矩陣來表征，如圖所示。因此，可以使用構造的稀疏矩陣填充（插補）虛擬的陣元。

原則上，在天線單元數相同的情況下，這種虛擬陣列可以比等效傳統系統的陣列大得多。因此，與等效的實體陣列天線相比，MIMO系統將以較小的代價具有更好的空間分辨率。

（a）筆尖形掃描波束（b）發射寬波束（c） 發射多個同時編碼波束圖：雷達發射和接收波束策略

MIMO的性能優勢

研究表明，同地MIMO雷達系統具有許多優點，例如出色的雜波干擾抑制能力，改進識別性能，以及增強發射波束圖設計的靈活性。這些優點可以提高目標檢測性能和角估計精度。需要說明的是，對三種傳輸配置給出性能比較：

SIMO雷達——發射筆尖波束

為連續探測感興趣的方位，采用聚焦波束進行電子掃描。這種波束通常由發射機線性相位變換法則獲得。數字接收模式聚焦在即時發射波束相同的方位上。

–角分辨力：最佳，因為發射波束很窄。–空域覆蓋：受限，因為只有一小部分空間同時被照射。在嚴酷情況下，例如存在要跟蹤許多目標，這可能是一個嚴重的問題。–信噪比：最佳，因為傳輸的能量集中在有限的扇形空間。

?SIMO雷達——發射寬波束

發射波束在仰角上加寬。這種波束圖可以通過發射機相位的平方定律得到。用于接收的數字筆尖形圖可以在探測扇區的不同方向上形成一系列平行波束圖。

–角分辨力：降級，因為發射波束比前一個配置更寬。–空域覆蓋：增強，因為波束允許較長的照射時間。它還導致更長時間的目標照射時間，從而提高多普勒頻率分辨力。–信噪比：降級，因為能量在大角度扇區中傳輸，從而導致比之前的配置的性能下降，此外，增加了對來自副瓣方向干擾的敏感性。

MIMO雷達

從雷達功能的角度來看，一切似乎都歸功于通過編碼聚焦波束同時探測所有方位。

–角分辨力：最佳，因為我們在接收時通過DBF恢復了類似SIMO發射聚焦波束。也可以根據不同的雷達功能需求（如監視、目標跟蹤和特性化、抗干擾）來形成特定波束，從而實現MIMO的靈活性。這就是MIMO雷達隨處可見的本領。–空域覆蓋：最佳，因為在脈沖傳輸過程中會照亮大角度范圍（各向同性輻射）。–信噪比：降級，因為能量在較大的角扇區中傳輸，與SIMO聚焦波束相比性能下降。

與傳統的波束寬度相比，MIMO雷達的波束寬度要寬3到4倍，同時獲得較好的主瓣和旁瓣（例如波束寬度、紋波、旁瓣電平）特性。寬波束對感興趣的動目標是非常重要的，例如對于突發目標（躍升的直升機、潛望鏡），或淹沒在地雜波中的慢速小目標，需要更長的照明時間來獲得多普勒分離。

作為MIMO雷達系統可能應用的例子，我們可引用更好的空間分辨率成像雷達的工作進行舉例，例如穿透墻壁的探測和地面場景的環境二維成像。

在機載地面監視背景下，我們可以將空時自適應處理（STAP）技術擴展到無需密集全天線陣情況下而提供更好的天線方向性的多收多發空時自適應處理（MIMO-STAP）技術。它在不使用全密集天線的情況下提供了更高的天線方向性。

在海上超視距監視的背景下，高頻表面波雷達（HFSWR）中采用MIMO配置可以克服傳統雷達在方位指向性和帶寬的限制。
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