MIMO雷达基础，提高角度分辨力 留言

MIMO雷达是提高毫米波雷达角分辨率(空间分辨率)的一项重要技术。本文介绍了MIMO雷达的基本原理和不同设计的可能性。并讨论了在TI毫米波生产线上实现MIMO雷达的途径。

单输入多输出(SIMO)雷达是指拥有一个发射(TX)和多个接收(RX)天线的雷达装备。SIMO雷达的角度分辨力取决于RX天线的数量。例如，拥有4个RX天线装备的角度分辨力为30°，拥有8个RX天线装备的角度分辨力则为15°。

因此，提高角度分辨力的最直接方法是增加RX天线的数量。这种方法有其局限性，因为每一个额外的RX天线在装备中都要有一个独立的RX处理链(各配有一个LNA、混合器、IF滤波器和ADC)。

多输入多输出(MIMO)雷达是指有多个TX和多个RX天线的雷达。如后面所讨论，拥有NTX个TX天线和NRX个RX天线的MIMO雷达的角度分辨力等同于拥有NTX×NRX个RX天线的SIMO雷达。因此，MIMO雷达提供了一种提高雷达角度分辨力的划算方法。

估计一个目标的到达角至少需要２个RX天线。图１给出了一个由1个TX天线和2个RX天线(间距为d)组成的雷达。

来自TX天线的信号经目标反射回来，被两个RX天线接收。来自目标的信号必定途经了一段额外距离dsin(θ)，才到达第二个RX天线。这相当于两个RX天线接收的信号间存在一个相差ω = (2π/λ)dsin(θ)。因此，当相差ω估计出来后，到达角就可以用公式计算出来。

当雷达RX天线的个数NRX大于2个时，如图2所示，NRX=4时的情形，后面各个天线的信号相对于前面天线，多了个相移ω。因此信号穿过N个天线后相位(以第一个RX天线为基准)出现了线性递增。通过对穿过NRX个天线的信号进行采样，可以估计ω并形成该信号序列的FFT(通常被认作为是角度FFT)。

增加天线的个数会生成一个具有尖锐峰值的FFT，这样就提高了角度估计的精度，增强了角度分辨力。我们想倍增图2中雷达的角度分辨力。一种倍增角度分辨力的方法是倍增RX天线的个数(由4个到8个)，如图4所示。

采用MIMO概念，只要1个额外的TX天线就可以得到同样的结果，讨论如图5所示。图中的雷达有2个发射天线，TX1和TX2。TX1发射的信号在4个RX天线上生成的相位为[0 ω 2ω 3ω](以第1个RX天线为基准)。由于第2个TX(TX2)天线被放置在与TX1相距4d处，TX2发射的任何信号相比于TX1都额外增加了一段路径4dsin(θ)。

相应地，可以看到每个RX天线上的信号都有一个额外的相移4ω(相对于TX1发射而言)。 4个RX天线上由TX2发射的信号的相位为[4ω 5ω 6ω 7ω]。将TX1和TX2发射机在4个RX天线上的相位序列串联起来，得到序列[0 ω 2ω 3ω 4ω 5ω 6ω 7ω]，与图4中1个TX和8个RX天线的序列相同。

有了NTX 和 NRX个天线，用户就可以生成一个NTX × NRX的虚拟天线阵列(适当地布置天线)。因此，应用MIMO雷达技术，可以倍增天线的数量(虚拟的)，相应地也提高了角度分辨力。MIMO雷达的原理，可以扩展到多维阵列。

可以利用不同的实体天线布局来实现相同的虚拟天线阵列。图7给出了这些布局，其中图(a)和图(b)中的实体阵列共同合成了与图(c)相同的虚拟阵列。

 

原文始发于微信公众号（雷达通信电子战）