一部帶有一個(gè)發(fā)射機(jī)和一個(gè)接收機(jī)的雷達(dá)可以根據(jù)發(fā)射電磁波的往返時(shí)間來測(cè)量目標(biāo)的距離，但不能測(cè)量目標(biāo)的角度。一個(gè)簡(jiǎn)單的獲取角度信息的方法是使用具有窄波束的天線進(jìn)行機(jī)械旋轉(zhuǎn)。但為了實(shí)現(xiàn)窄波束，需要一個(gè)大的天線，旋轉(zhuǎn)大天線需要很大的空間，并且無法同時(shí)成像整個(gè)視場(chǎng)。

除了旋轉(zhuǎn)單個(gè)天線，還可以采用相控陣?yán)走_(dá)，利用多個(gè)天線形成雷達(dá)圖像，無需物理旋轉(zhuǎn)。MIMO雷達(dá)則是帶有多個(gè)發(fā)射和接收天線的相控陣?yán)走_(dá)。使用的天線越多，雷達(dá)的角度分辨率就越好。

MIMO雷達(dá)天線陣列設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

要知道目標(biāo)的角度需要多個(gè)天線，這些天線位于略微不同的位置，因此在不同的時(shí)間接收信號(hào)。根據(jù)雷達(dá)回波到達(dá)每個(gè)天線的時(shí)間差，可以解出目標(biāo)的角度。根據(jù)實(shí)際情況，與其使用需要極好時(shí)間分辨率的絕對(duì)時(shí)間差，不如使用接收到的信號(hào)的相位。

假設(shè)目標(biāo)非常遠(yuǎn)，每個(gè)天線到目標(biāo)的角度可以假定為相同，那么雷達(dá)波形到每個(gè)天線的距離如圖1所示意。為了簡(jiǎn)化，另外假設(shè)天線陣元到目標(biāo)的距離差小于雷達(dá)的距離分辨率。

雷達(dá)波形所經(jīng)歷的距離是從TX天線到目標(biāo)的距離加上從目標(biāo)返回到RX天線的距離：

由于多個(gè)接收天線與發(fā)射機(jī)之間的距離不同，雷達(dá)波形的行走距離稍有不同，這便可以用來求解目標(biāo)的角度。

在RX天線處接收到的來自一個(gè)目標(biāo)的信號(hào)形式為：

A是接收信號(hào)的幅度，frx0是在發(fā)射天線處接收到的回波。指數(shù)項(xiàng)是相移，它取決于到目標(biāo)的距離r和輻射信號(hào)的波長(zhǎng)λ=c/f。復(fù)數(shù)用于使分析在數(shù)學(xué)上更簡(jiǎn)單，實(shí)際測(cè)量的信號(hào)是實(shí)值的，因此只有表達(dá)式的實(shí)部會(huì)被測(cè)量。

對(duì)于一個(gè)目標(biāo)，兩個(gè)接收天線在不同的距離，目標(biāo)的角度可以通過比較在兩個(gè)接收天線處接收到的信號(hào)的相位差來確定。在距離d和2d的兩個(gè)天線處接收到的信號(hào)的相位差是exp(2πjdsinθ/λ)，目標(biāo)的角度可以從表達(dá)式中解出。為了有一個(gè)唯一的解，距離d需要小于λ/2，否則由于sin的周期性，可能在兩個(gè)或更多的角度獲得相同的相位。

當(dāng)有多個(gè)目標(biāo)時(shí)，情況會(huì)變得復(fù)雜。不同目標(biāo)的反射信號(hào)在接收機(jī)上求和，只能測(cè)量到求和后的信號(hào)。對(duì)于一個(gè)目標(biāo)，所有天線的信號(hào)幅度都是一樣的，但對(duì)于多個(gè)目標(biāo)，則不是這樣。

雷達(dá)波形frx0從接收機(jī)信號(hào)中解調(diào)出來后，每個(gè)接收機(jī)的輸出形式是：

匹配濾波是確定每個(gè)角度是否有目標(biāo)的最優(yōu)線性濾波器。在這種情況下，匹配濾波器是從特定角度的單個(gè)目標(biāo)觀察到的信號(hào)：

目標(biāo)分布可以計(jì)算為：

設(shè)置frx,n=1，可以得到零角度的單個(gè)目標(biāo)的目標(biāo)響應(yīng)。

下圖顯示了具有單個(gè)發(fā)射機(jī)和不同數(shù)量接收機(jī)的陣列的目標(biāo)響應(yīng)。需要很多天線才能得到一個(gè)不錯(cuò)的角度分辨率。即使有16個(gè)接收機(jī)，-3 dB的角度分辨率也只有6度。旁瓣可以通過加權(quán)調(diào)整。如果沒有權(quán)重，第一旁瓣位于-13 dB左右。

審核編輯：湯梓紅