OFDM-MIMO雷达低空目标探测性能研究
周豪 胡国平 师俊朋 李哲雄
【摘 要】针对低空多径效应和地杂波复合作用导致的低空目标探测性能下降,利用正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)-多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)雷达的空间和频率分集特性提高低空目标探测性能．在建立正交频分复用-线性调频发射信号模型、多径效应模型和基于对称阿尔法稳定分布的地杂波模型基础上,得出了OFDM-MIMO雷达接收信号模型．采用匹配滤波器恢复发射-接收天线对信号,通过接收信号融合实现参差补偿,减小了接收信号能量的深度衰减和剧烈起伏．仿真算例表明OFDM-MIMO雷达能够有效减小回波信号剧烈起伏和杂波对目标探测的影响,实现多径干扰和杂波背景下对低空目标的稳定探测． 【期刊名称】电波科学学报 【年(卷),期】2016(031)005 【总页数】8
【关键词】多径效应;对称阿尔法稳定分布;球不变随机过程;正交频分复用；多输入多输出
DOI 10.13443/j.cjors.2016030401
引 言
低空突防已成为现代空战的典型作战样式,为有效应对低空突防目标的安全威胁,防空系统必须实现对低空目标的早期预警、稳定跟踪和准确定位．多径效应与强杂波是制约低空目标探测性能的主要因素[1],为解决低空目标探测问题,高分辨技术、空时自适应技术、多输入多输出(Multiple-Input Multiple-
Output,MIMO)雷达技术等方案应运而生,其中MIMO雷达因具有分集特性[2],能较好克服多径干扰,提高杂波中的目标探测性能,受到广泛关注．利用MIMO雷达的空间分集特性和频率分集特性提高低空目标探测性能是当前的研究热点．文献[3]设计了正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)-MIMO雷达低空多径环境下的自适应检测算法,但只采用了频率分集技术,在收发阵元较少时仍有较大可能发生多径对消．文献[4]针对低空目标探测提出基于OFDM-MIMO雷达的广义似然比检测方法,证明OFDM-MIMO雷达能够有效利用多径效应提高目标检测性能,但未能从理论上解释多径效应对低空目标探测存在消极影响的原因．文献[5]推导了低空环境下非起伏目标的检测概率,但未将多径幅度因子的影响考虑在内．文献[6]采用尺度变换(Scale Transform,ST)-离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform,DFT)处理OFDM-MIMO雷达的接收回波,提高了相干处理增益,从而改善了对运动目标的检测性能．文献[7]基于空间分集MIMO雷达提出参数化的广义似然比检测器,提高了雷达在非均匀杂波环境下对运动目标的检测性能．文献[8]利用OFDM-MIMO雷达的频率分集特性改善了多普勒频率落入动目标显示滤波器(Moving Target Indication,MTI)凹口的目标检测能力．文献[9]研究了多径效应和海杂波复合作用下低空目标的单脉冲检测问题．
关于多径或杂波单一作用下低空目标探测性能已有不少研究成果,但仍存在需深入研究的问题:一是针对多径干扰下的低空目标探测性能研究,大多从信号统计检测的角度入手,但文献[10]已通过严格推导证明:从统计检测角度讲,多径效应下目标的检测性能较自由空间有所提高．即经典的统计检测理论无法揭示多径效应制约低空目标探测的本质原因,难以反映多径效应造成的雷达回波信号剧烈起伏
和测量误差,也无法对雷达探测低空目标全过程进行动态分析．二是已有的研究多是针对杂波或多径单一作用下的低空目标探测性能进行讨论,对两者复合作用下低空目标探测性能的研究偏少．
针对上述两个问题,本文提出以接收信号能量稳定性作为衡量指标,从雷达探测、跟踪低空目标的动态过程这一新的角度分析多径与杂波复合作用的影响,充分利用MIMO雷达空间分集和频率分集特性改善多径和杂波造成的检测性能下降．通过参差补偿算法减小多径效应造成的接收信号深度衰落,改善接收信号能量的稳定性,提高杂波环境下的信杂比,从而实现多径与杂波复合作用下对低空目标的稳定探测．
1 发射信号和环境模型
首先建立OFDM-MIMO雷达发射信号模型,分析实现频率分集和空间分集的条件．在此基础上,为准确描述多径效应和杂波这两大环境因素对探测的影响,构建了MIMO雷达多径效应模型和能更好反映低空杂波非高斯、长拖尾特性的对称阿尔法稳定(Symmetric Alpha Stable,SαS)分布杂波模型． 1.1 发射信号模型
设有M个收发天线组成OFDM-MIMO雷达,每个天线发射信号为正交频分复用-线性调频(OFDM-Linear Frequency Modulation,OFDM-LFM)信号,表达式为 (1)
式中：i=1,2,…,M;E为雷达总的发射能量;信号为脉冲宽度,为单个阵元发射信号的带宽;fi=f1+Δf·(i-1),f1为初始载频,Δf为不同发射阵元中心频率之间的频率间隔．
OFDM-MIMO 雷达低空目标探测性能研究
