MIMO声纳:概念与技术特点探讨

　　0 概述

　　多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)系统指的是具有多个输入和多个输出的系统。从这个角度来看，MIMO系统是一个很宽泛的概念。MIMO系统这一概念最早是在无线通信领域被提出来的，发射信号和接收信号可分别看作传输信道的输入与输出，并与传输信道共同构成一个MIMO系统。在通信过程中，深度衰落的信道导致接收出错的概率变得很大。若将发射信号的多个副本经过相互独立的信道到达接收机，则所有副本同时经历深度衰落的概率将显著降低。这就是分集接收的思想[1,2]。MIMO通信系统正是利用这一点，在不增加额外带宽和发射功率的情况下，抑制信号传输中的多径衰落，显著增加系统的物理容量。受MIMO技术在无线通信领域中获得成功的启发，近年来，对MIMO技术的研究成为阵列信号处理领域的一个热点。雷达和声纳的研究人员相继提出了MIMO雷达和MIMO声纳等概念。

　　在雷达信号处理领域，MIMO技术其实并不是一项全新的技术。早在20世纪70年代末，为了解决雷达探测隐身目标的问题和提高自身抗反辐射导弹的能力，法国国家航天局提出了综合脉冲孔径雷达(Synthetic Impulse and Aperture Radar，SIAR)的概念。SIAR 雷达采用稀疏布阵方式布置天线，并且每个天线发射的信号相互正交，具备了MIMO雷达的基本特征，可看作是MIMO雷达的雏形[3,4]。

　　根据MIMO通信系统和SIAR雷达技术，研究人员相应地提出了两类MIMO雷达：一类是密集式MIMO雷达(MIMO radar with co-located antennas)，另一类是分布式MIMO雷达(MIMO radar withwidely separated antennas)，又称统计MIMO雷达(Statistical MIMO radar)。

　　密集式MIMO雷达概念由美国麻省理工学院林肯实验室的Rabideau和Bliss等人于2003年提出[5,6]。它以传统的相控阵作为发射和接收阵列，其发射和接收阵元都是紧密排列的。密集式MIMO雷达的发射阵元能够同时发射彼此不相关(例如彼此正交)的信号，将功率全方向均匀发射，照射整个空域。在接收端，用发射的正交信号对接收的数据进行匹配滤波分离，能够形成多个数据通道，增加了系统的自由度，改进了雷达的部分性能。目前该类MIMO雷达的代表性研究者是LiJian及其团队，他们在MIMO雷达的目标参数估计[7-9]、自适应参数估计方法的直接应用[8-11]、发射信号设计和波形优化[12,13]，以及MIMO雷达成像中的发射信号和接收滤波器设计[14-16]等方面进行了一系列深入研究。而Bekkerman 等人则在MIMO阵列的虚拟阵列和波束图改善等方面进行了相关探讨[17]。

　　分布式MIMO雷达概念由贝尔实验室的Fishler 等人于2004年提出[18]。在这类MIMO雷达中，由于发射阵元间距很大，不同阵元发射的信号能够照射到目标的不同方位，在接收端辅以各类信号处理技术，可以克服目标角闪烁和信道衰落对回波信号的影响。该类雷达的大范围稀疏布阵的目的在于获得空间分集增益，使得接收阵上的目标回波能量基本恒定，保证了接收能量平稳输出，从而使MIMO雷达系统的检测性能和目标参数估计的性能得以改善。此类雷达的研究者主要是Fishler和Blum等人，他们在提高雷达目标检测和定位能力等方面取得了进展[18-23]。