РАДАР С ФАЗИРОВАННОЙ РЕШЕТКОЙ И MIMO: ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДАРА С ФАЗОВОЙ РЕШЕТКОЙ И РАДАРА MIMO

РАДАР С ФАЗИРОВАННОЙ РЕШЕТКОЙ И MIMO: ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДАРА С ФАЗОВОЙ РЕШЕТКОЙ И РАДАРА MIMO

Научная статья

Данг Х.Б.^1, *., Куан Ч.Т.²

^{1, 2} Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, Санкт-Петербург, Россия

* Корреспондирующий автор (dangkhacbinh90[at]gmail.com)

Аннотаиця

В этой статье мы предлагаем новую технику для радиолокационной системы (РЛС) с множеством выходов и множеством входов (MIMO - multiple-input multiple-output) с антеннами, которые мы называем MIMO РЛС.  Новая технология обладает преимуществами РЛС MIMO без потери основного преимущества РЛС с фазовой антенной решеткой может работать последовательно на передающей стороне. Суть предлагаемого метода состоит в том, чтобы разделить передающий массив на несколько подмассивов, которые могут перекрываться. Затем каждый подмассив используется для когерентной передачи форма волны, которая ортогональна сигналам, передаваемым другие подмассивы. Последовательная обработка может быть увеличена путем разработки весового вектора для каждого подмассива, чтобы сформировать луч в определенном направлении в пространстве.

Ключевые слова: усиление когерентной обработки, радар MIMO, радар с фазированной решеткой, формирование диаграммы направленности передачи/приема.

PHASED ARRAY AND MIMO RADAR: CHARACTERISTICS OF PHASE ARRAY AND MIMO RADAR

Research article

Dang K.B.^1, *, Quan T.T.²

^{1, 2} Saint Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics, St. Petersburg, Russia

* Corresponding author (dangkhacbinh90[at]gmail.com)

Abstract

In this article, we propose a new technique for a multiple-input multiple-output (MIMO) radar system with antennas that we call MIMO radar. The new technology has the advantages of MIMO radar without losing the main advantage. Phased array radar can operate sequentially on the transmit side. The essence of the proposed method is to split the transmitting array into several subarrays that can overlap. Each subarray is then used to coherently transmit a waveform that is orthogonal to the signals transmitted by the other subarrays. The sequential processing can be augmented by developing a weight vector for each subarray to form a beam in a specific direction in space.

Keywords: coherent processing enhancement, MIMO radar, phased array radar, transmit / receive beamforming.

Введение

Технология радаров непрерывно развивалась в течение последних 70 лет, начиная с конца 1930-х годов, когда радары были впервые изобретены для оборонных приложений. Новые и более совершенные радиолокационные технологии были обусловлены широким распространением радара, от микро-радаров, применяемых в биомедицинской инженерии, до макро-радара, используемого в исследованиях радиосвязи. До сих пор предыдущие радиолокационные исследования предполагали, что сигнал может быть когерентно обработан в антенных решетках передачи/приема, если поддерживается однородность сигнала.

В зависимости от используемых конфигураций решетки РЛС MIMO можно разделить на два основных типа. В первом типе используются широко разнесенные передающие/приемные антенны для захвата пространственного разнесения радиолокационного сечения (RCS – radar cross section) цели.

В этой статье мы рассматриваем случай радиолокационной системы с совместно расположенными антеннами и вводим разделение передающей решетки для интеграции РЛС с фазированной антенной решеткой в РЛС MIMO. Действительно, по сравнению с РЛС с фазированной антенной решеткой, использование РЛС MIMO с размещенными рядом антеннами позволяет улучшить угловое разрешение, увеличить верхний предел количества обнаруживаемых объектов, улучшить идентифицируемость параметров, расширить апертуру решетки за счет виртуальных датчиков и улучшить гибкость конструкции паттернов передачи/приема луча. Более того, РЛС MIMO демонстрирует потерю коэффициента усиления отношения сигнал/шум (SNR - signal-to-noise ratio).

Преимущества новой радиолокационной техники, которая естественно называется РЛС с фазированной MIMO, по сравнению с РЛС с фазированной антенной решеткой и MIMO анализируются в терминах соответствующих выражений лучевой диаграммы и отношения сигнал-помеха-шум (SINR - signal-to-interference-plus-noise ratios). В частности, новая радиолокационная техника:

1) Обладает всеми преимуществами радара MIMO, т. е. позволяет улучшить угловое разрешение, обнаруживать большее количество целей, улучшать идентифицируемость параметров и увеличивать апертуру решетки;

2) Позволяет использовать существующие методы формирования диаграммы направленности как на передающей, так и на приемной сторонах;

3) Предоставляет средства для проектирования всего виртуального массива;

4) Предлагает компромисс между угловым разрешением и устойчивостью к потере формы луча;

5) Обеспечивает повышенную устойчивость к сильным помехам.

Передача/прием РЛС фазированной MIMO

В этом разделе мы используем традиционные методы формирования диаграммы направленности передачи/приема и анализируем характеристики предлагаемого РЛС с фазированной MIMO. Мы также сравниваем РЛС с фазированной MIMO с РЛС с фазированной антенной решеткой и РЛС с MIMO с точки зрения их диаграмм направленности приема-передачи и достижимых значений SINR.

В передающем массиве существующие методы формирования диаграммы направленности восходящей линии связи легко поддаются проектированию весовых векторов  для различных подмассивов, так что удовлетворяются определенные требования в исходном материале и/или мощности передачи. В качестве канонического примера мы решили разделить передающую решетку так, чтобы k-я подрешетка включала антенны, расположенных от k-го до (M - K + k) -го позиций, то есть каждый подмассив состоит из M - K + 1 антенны. Мы называем такое разбиение полностью перекрывающимся, следующим. Тогда соответствующая матрица весов луча передачи задается как:

    (1)

Где   — это m-й вес k-го вектора весовых коэффициентов формирования луча подмассивов   - вектор нулей K-2.

Неадаптивное формирование луча передачи/приема

Коэффициент усиления SNR (сигнал/шум) РЛС с фазированной антенной решеткой пропорционален величине . Используя неравенство Коши-Шварца, мы имеем , где равенство выполняется, когда  называется обычным неадаптивным формирователем луча.

Поскольку все подмассивы имеют одинаковую апертуру, весовые векторы формирователя луча для обычного формирования диаграммы направленности восходящей линии связи задаются следующим образом:

     (2)

В приемной решетке к виртуальной решетке применяется обычный формирователь луча, и, следовательно, весовой вектор приемного формирователя луча KN x 1 определяется выражением:

  (3)

Пусть  будет нормализованным образцом радиолокационного излучения с фазированной MIMO, т. e.

     (4)

Чтобы упростить вывод и анализ выражений диаграмма направленности и SINR для РЛС с фазированной MIMO, мы предполагаем ОЛР (uniform linear array), т. e.

  (5) Следовательно, диаграмма направленности (4) можно переформулировать следующим образом:    (6) (7)   Где (6) получено из (7) с учетом того, что:    (8)

Тогда диаграмма направленности РЛС с фазированной MIMO может рассматриваться как произведение трех отдельных диаграмм направленности луча, то есть:

     (9)

Изучая (9), мы делаем следующие наблюдения:

• Первые два члена  продукта (9) зависят от количества подмассивов K, в то время как третий член  не зависит от K. Следовательно, анализ диаграммы направленности для РЛС с фазированной MIMO фокусируется на первых двух членах.
• Выражение диаграммы направленности для РЛС с фазированной антенной решеткой можно вывести в форме (9), подставив K = 1. Отсюда получаем.

   (10)

Где . Обратите внимание, что этот случай отличается от случая 1 для разделения массива, упомянутого выше, потому что в этом случае передается только одна форма сигнала, а в случае 1 передается смесь любых ортогональных сигналов.

• Выражение диаграммы направленности луча РЛС MIMO может быть получено путем замены K = M, что приводит к:

     (11)

Где . Сравнивая (9), (10) и (11) друг с другом, мы обнаруживаем, что РЛС с фазированной антенной решеткой и РЛС MIMO имеют одинаковую общую диаграмму направленности, т. е.

    (12)

Результаты моделирования

В наших симуляциях мы предполагаем (ULA) из M = 12 всенаправленных антенн, используемых для передачи сигналов основной полосы частот . Мы также предполагаем (ULA) из N = 12 всенаправленных антенн, разнесенных на половину длины волны друг от друга на приемном конце. Аддитивный шум моделируется как комплексная случайная последовательность белого цвета с нулевым средним по Гауссу, равная нулю в пространстве и времени, которая имеет идентичные отклонения в каждом матричном датчике. Мы предполагаем наличие двух целей с помехами в направлениях . Предполагается, что представляющая интерес цель отражает плоскую волну, которая падает на решетку с направления . Во всех наших примерах моделирования мы сравниваем предлагаемый РЛС с фазированной MIMO с РЛС с фазированной антенной решеткой и MIMO РЛС. Для РЛС с фазированной MIMO мы всегда использовали подрешетки с K = 6, диапазонов, которые, как предполагается, полностью перекрываются. В некоторых примерах мы сравниваем различные радиолокационные методы друг с другом с точки зрения их диаграмм направленности передачи/приема, в то время как в других примерах эффективность вышеупомянутых радиолокационных методов сравнивается с точки зрения выходных SINR. Примерная ковариационная матрица вычисляется на основе N = 144 моментальных снимков данных (т.е. 144 интервалов диапазона) для всех протестированных методов.

Рис. 1 – Первый пример: передача диаграмм направленности с использованием обычного формирователя луча:

Phased-array radar - РЛС с фазированной антенной решеткой; MIMO radar - MIMO РЛС; Phased-MIMO radar - Фазированный РЛС MIMO

Примечание: длина волны

 

Неадаптивное формирование луча передачи / приема

Пример 1: Неадаптивная диаграмма направленности передачи/приема без наложения пространственной передачи: В примере мы исследуем диаграмму направленности луча передачи/приема формирователя луча передачи/приема для случая, когда передающие антенны расположены на расстоянии половины длины волны друг от друга, то есть  длины волны. Рис. 1 и 2 показаны диаграммы направленности лучей передачи и диаграммы направленности разнесенных форм сигналов, соответственно, для всех трех испытанных радиолокационных методов, а на рисунке 3 показаны общие диаграммы направленности лучей передачи/приема для аналогичных методов.

Из рисунка 1 видно, что РЛС с фазированной антенной решеткой имеет типичную обычную диаграмму направленности с главным лепестком (шириной π/M) с центром в точке , в то время как РЛС MIMO имеет коэффициент усиления передачи при (0 дБ). С другой стороны, диаграмма направленности передающего луча с фазированной MIMO характеризуется апертурой (фактическим размером) отдельных подрешеток. Поскольку апертура подрешеток всегда меньше апертуры всей антенной решетки, диаграмма направленности передающего луча РЛС с фазированной MIMO представляет собой компромисс между достоинствами (диаграммами направленности) РЛС с MIMO и фазированной антенной решеткой.

Рис. 2 – Первый пример: диаграммы направленности с разнесением форм сигналов с использованием обычного формирователя луча

Примечание:   длина волны

Рис 3. Первый пример: общие диаграммы направленности с использованием обычного формирователя луча передачи/приема

Примечание: длина волны

 

Как видно на рис.1, уменьшение апертуры подрешетки приводит к диаграмме направленности радара с фазированной MIMO с более широким основным лучом и немного более высокими уровнями боковых лепестков по сравнению с диаграммой направленности РЛС с фазированной антенной решеткой. Эта небольшая потеря в форме диаграммы направленности отражается при большем увеличении блока разнесения формы сигнала диаграммы направленности, как показано на рисунке 2. Из рисунка 2 следует, что РЛС с фазированной антенной решеткой не имеет ширина от разнесения формы сигнала (0 дБ на развертке), в то время как диаграммы направленности с разнесением форм сигналов в РЛС MIMO и с фазированной MIMO эквивалентны обычным диаграммам направленности, предлагаемым виртуальными решетками M и K элементов соответственно. Поскольку , диаграмма направленности разнесенного сигнала РЛС с фазированной MIMO имеет более широкий главный лепесток и более высокие уровни боковых лепестков по сравнению с диаграммой направленности разнесенного сигнала РЛС MIMO.

Однако на рис. 3 можно увидеть, что общая форма диаграммы направленности луча передачи/приема для предлагаемого РЛС с фазированной MIMO значительно улучшена по сравнению с формами диаграммы направленности РЛС с фазированной антенной решеткой и MIMO. В частности, стоит отметить, что общая диаграмма направленности предложенного РЛС с фазированной MIMO пропорциональна умножению диаграмм направленности луча передачи и разнесения формы сигналов (т.e. Пропорциональна суммированию кривых на рисунках 1 и 2 в децибелах). Из рисунка 3 также видно, что РЛС с фазированной антенной решеткой и MIMO имеют в точности одинаковые общие диаграммы направленности луча передачи/приема. В то же время РЛС с фазированной решеткой и MIMO имеет более низкие уровни боковых лепестков по сравнению с РЛС с фазированной антенной решеткой и MIMO.

Вывод

Предложена новая технология для РЛС MIMO с размещенными вместе антеннами. Этот метод основан на разделении передающего массива на несколько перекрывающихся подмассивов. Каждый подмассив используется для когерентной передачи сигнала, который ортогонален сигналам, передаваемым другими подмассивами. Выигрыш при когерентной обработке достигается за счет разработки весового вектора для каждой передающей подмассивы для формирования луча в определенном направлении в пространстве. Подмассивы объединяются вместе, чтобы сформировать РЛС MIMO, что обеспечивает более высокое угловое разрешение. Показано, что предложенная методика сочетает в себе преимущества РЛС с фазированной антенной решеткой и MIMO и, следовательно, имеет более высокие характеристики. Результаты моделирования подтверждают наши теоретические наблюдения и доказывают эффективность предложенной методики РЛС с фазированной MIMO. Разработка новой технологии РЛС с фазированной MIMO открывает новые возможности в развитии РЛС MIMO. Некоторые новые проблемы, выделенные в статье, включают в себя формирования диаграммы направленности луча передачи и формы волны передающей подрешетки, которые соответствует определенным желаемым свойствам. 

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Skolnik M.I. Introduction to Radar Systems / M.I.Skolnik. 3^rd NewYork:McGraw-Hill, 2001.
2. Haykin S. Radar Array Processing / S. Haykin, J. Litva, T.J. Shepherd. New York: Springer-Verlag, 1993.
3. Buderi R. The Invention That Changed the World: The Story of Radar From War to Peace / R. Buderi. London, U.K.: Abacus, 1999.
4. Chen K.-M. An X-band microwave life-detection system / K.-M. Chen, D. Misra, H. Wang, H.-R. Chuang et al. // IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. 33, pp. 697–701, Jul. 1986.
5. Immoreev I.UWB radar for patient monitoring / I.Immoreev, T.-H.Tao // IEEE Aerosp. Electron. Syst. Mag., vol. 23, pp. 11–18, Nov. 2008.