Исследование характеристик многоэлементной антенны MIMO радара

За последнее десятилетие антенные системы с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO) привлекли значительное внимание исследователей в области систем связи, особенно для радиолокационных систем [1-11]. Использование нескольких антенн как на передачу, так и на прием позволяет улучшить разнесение, увеличить пропускную способность канала и снизить частоту ошибок в битах [2].

Было разработано множество подходов к MIMO-радару, которые базируются вокруг основной идеи использования разнообразия форм сигналов. В зависимости от используемых конфигураций антенных решеток радары MIMO можно разделить на два основных типа. Первый тип (widely separated) использует широко разнесенные (относительно длины волны) передающие/приемные антенны для анализа пространственного разнообразия ЭПР цели [3]. Второй тип - совмещенный (co-located) MIMO-радар, где передающая и приемная антенны расположены близко друг к другу. Иногда такой радар называют когерентным MIMO радаром [4]. В этом случае обычно предполагается, что цель находится в дальней зоне, и, следовательно, используется модель сигнала точечного источника. Именно такой радар и будет здесь объектом рассмотрения. Полезный эффект в данном случае, сводится к увеличению виртуальной апертуры решетки из-за того факта, что одна и та же приемная решетка принимает множество независимых форм сигнала [1,5].

Во многих исследованиях отмечается, что данная технология позволяет улучшить угловое разрешение, увеличить верхний предел количества обнаруживаемых целей, улучшить возможность идентификации параметров, расширить апертуру решетки с помощью виртуальных датчиков и повысить гибкость конструкции приемо-передающего луча. Однако эти преимущества достигаются ценой потери когерентности в передающей антенне, обеспечиваемой радаром с фазированной антенной решеткой. Следовательно, в радаре MIMO с совместно размещенными антеннами может возникать потеря формы луча [6,7]. Для преодоления этой слабости MIMO радара в [5] предложено разбиение исходной решетки на подрешетки, которые могут частично перекрываться.

Вопросы синтеза сигналов для MIMO радара широко исследуются в литературе [11]. Далее будем считать, что сигналы с каждого передающего элемента антенны являются независимыми.

Фундаментальное преимущество когерентных MIMO-радаров заключается в том, что они позволяют использовать разреженные массивы антенных элементов без неблагоприятного воздействия боковых лепестков. Такие массивы позволяют улучшить оценки направлений прихода и минимальную обнаруживаемую скорость объектов [4].

ВИРТУАЛЬНАЯ АПЕРТУРА MIMO РАДАРА

Задачей обработки сигналов радара является оценивание и интерпретация радиолокационного канала, который расположен между передающими и приемными элементами, и содержит движущиеся цели и помехи.

Пусть антенная система содержит N_T передающих и N_R приемных элементов. Передающие антенны излучают независимые комплексные сигналы, формы которых содержатся в строках матрицы S. В случае дискретного полосового сигнала матрица N_RxN_T наблюдений может быть представлена в виде [12-15]

, (1)

где матрица N размера N_Rx1 включает шум и внешние помехи. Суммирование осуществляется по значениям д задержек сигналов. Если облучаемый сектор содержит одиночный отражатель, расположенный в дальней зоне, то канальная матрица H_д размера N_RxN_T содержит элементы

, (2)

где k₀ = 2р/л; ku - волновой вектор; x_m и y_n есть трехмерные векторы координат антенных элементов. Аргументы под экспонентой отражают различные временные задержки между передающими и приемными фазовыми центрами для данного отражателя в направлении u.

Рассмотрение канальной матрицы позволяет установить наличие виртуальных антенных элементов, расположение которых может отличаться от координат исходных элементов. К тому же, часть элементов обычно повторяется несколько раз, т. е. виртуальная решетка оказывается переопределенной [12,15].

Представляет интерес рассмотрение различных геометрических структур, отличающихся расположением антенных элементов MIMO радара. Варианты структур могут содержать как совмещенные приемо-передающие элементы, так и разреженные структуры. Исследуются свойства амплитудных диаграмм направленности (ДН) виртуальных решеток. Анализируется ширина диаграммы направленности и уровни боковых лепестков. Влияние шума и помех будет рассмотрено отдельно. В данной работе рассмотрены линейные решетки, хотя некоторые результаты можно обобщить и на нелинейные структуры.

АНТЕННЫЕ СИСТЕМЫ С СОВМЕЩЕННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

В этом варианте геометрии расстояния между элементами приемной и передающей антенн одинаковы, и равны половине длины волны излучения. Изначально часть элементов приемной и передающей антенн совмещены. Допускается сдвиг координат элементов одной из антенн по отношению к другой, что не влияет на характеристики амплитудной диаграммы направленности. Различают также линейные решетки с равномерным расположением элементов (ULA), и неравномерным. N_T = 2, N_R = 2; расстояние между элементами л/2.

В случае двух передающих и двух приемных элементов в MIMO структуре появляется третий виртуальный элемент [1]. На рис. 1 представлены амплитудная ДН (AT) для фазированной решетки на передачу (на прием AR точно такая же), произведение (ATR) этих двух ДН, которое эквивалентно двусторонней ФАР. При построении ДН MIMO радара (AM) было устранено переопределение антенных элементов. В этом случае виртуальная решетка состоит из трех элементов и нули главного лепестка расположены ближе друг к другу, чем в

случае двусторонней ФАР. Платой за сужение главного лепестка является помимо уменьшения коэффициента передачи появление значительных боковых лепестков.

Диаграммы направленности: ATR - на передачу и прием; AM - MIMO антенна.

Б. N_T = 2, N_R = 8; равномерное расположение элементов через л/2.

Исключая переопределенные элементы, можно получить виртуальную равномерную MIMO решетку, содержащую девять элементов, расположенных через л/2 (рис. 2).

Расположение элементов: физическая решетка (а); MIMO виртуальная решетка (б)

Диаграммы направленности: ATR - на передачу и прием; AM - MIMO антенна.

На рис. 3 заметно небольшое сужение виртуальной ДН MIMO, но заметно возрастание уровней боковых лепестков.

В. N_T = 4, N_R = 4; равномерное расположение элементов через л/2.

Случай четырех передающих и четырех приемных совмещенных элементов, расположенных через л/2, представлен на рис. 2. Если исключить переопределение элементов, то виртуальная MIMO структура представляет сплошную линейную решетку из семи элементов. В результате ДН MIMO решетки также имеет меньшее расстояние между нулями, чем двусторонняя ФАР (ATR).

Диаграммы направленности: ATR - на передачу и прием; AM - MIMO антенна

Совмещенные элементы позволяют создать более узкие ДН за счет увеличения виртуальной апертуры. Однако уровни боковых лепестков существенно возрастают. Попытки использования оконных функций (Хэмминга, Ханна и др.) приводят к их уменьшению, однако при этом ширина ДН увеличивается, нивелируя достигнутое сужение.

Г. N_T = 4, N_R = 4; неравномерное расположение элементов [9]: л, 3л/2, 2л.

Расположение элементов: физическая решетка (а); MIMO виртуальная решетка (б).

Диаграммы направленности решеток с неравномерным расположением элементов: ATR - на передачу и прием; AM - MIMO антенна.

Виртуальная MIMO решетка содержит 10 элементов. Она слегка проигрывает в усилении, но уровни максимальных боковых лепестков у нее несколько ниже.

АНТЕННЫЕ СИСТЕМЫ С РАЗРЕЖЕННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

Как правило в этих конфигурациях используются не совмещённые передающие и приемные антенные элементы.

А. NT = 2, NR = 2; sparse T-R-R-T, Расстояние между приемными элементами d = л/2, между передающими элементами 3л/2.

Виртуальная MIMO решетка в этом случае содержит четыре элемента с разнесениями л/2; л; л/2. Если сравнить ее со сплошной (filled) решеткой, у которой все разнесения равны л/2, то MIMO антенна обеспечивает некоторое сужение главного лепестка ценою увеличения уровня боковых лепестков.

Диаграммы направленности для структуры T-R-R-T: ATR - сплошная антенна на передачу и прием; AM - MIMO антенна.

Б. NT = 2, NR = 2; sparse R-T-T-R, Расстояние между приемными элементами 3л/2, между передающими d = л/2.

Данная структура имеет более широкую ДН на передачу, чем предыдущая, но виртуальная MIMO решетки полностью совпадает с изображенной на рис. 7.

В. NT = 2, NR = 8; sparse, расстояние между передающими элементами d = 7л/2, между приемными элементами л/2.

Расположение элементов: физическая решетка (а); MIMO виртуальная решетка (б)

В данном случае виртуальная решетка содержит 14 элементов. Диаграмма направленности имеет такой же главный лепесток, как и двусторонняя ФАР, однако боковые лепестки располагаются иначе.

Диаграммы направленности: ATR - на передачу и прием; AM - MIMO антенна.

Г. NT = 2, NR = 8; sparse, расстояние между передающими элементами d = л/2, между приемными элементами л.

Такая конфигурация приведена в [1,6] и названа interleaved (чередование). Виртуальная решетка, как и ранее, содержит 14 элементов (Рис. 10).

Расположение элементов: физическая решетка (а); MIMO виртуальная решетка (б)

Диаграммы направленности: ATR - на передачу и прием; AM - MIMO антенна.

Можно заметить некоторое увеличение ширины главного лепестка по отношению к двусторонней ФАР (ATR).

Д. NT = 2, NR = 8; sparse, расстояние между приемными элементами d = л/2, между передающими элементами 4л.

В [1,6] эта конфигурация называется stacked (вложение). Виртуальная решетка содержит 16 элементов. В силу большего числа виртуальных элементов главный лепесток ДН уже, чем для предыдущей конфигурации (Рис. 13).

Расположение элементов: физическая решетка (а); MIMO виртуальная решетка (б)

Диаграммы направленности MIMO решеток 2x8 для конфигураций Stacked и Interleaved.

Заключение

Рассмотрены амплитудные диаграммы направленности антенных решеток совмещенного MIMO радара. Исследованы линейные совмещенные и разреженные структуры с равномерным и неравномерным расположением элементов. Для анализа диаграмм направленности выбраны структуры с малым числом антенных элементов. Рассмотренные конфигурации имеют практическое значение для построения автомобильных MIMO радаров.

Список используемых источников

Modern Radar for Automotive Applications. Edited by Zhengyu Peng, Changzhi Li and Faruk Uysal. The Institution of Engineering and Technology, London, 2022.

R. Vahdani, H. K. Bizaki, M. F. Joshaghani, “Additional degree of freedom in phased-MIMO radar signal design using space-time codes,” Etri Journal, vol. 43(4), pp. 640-649, 2021.DOI: 10.4218/etrij.2020-0031.

A. M. Haimovich, R. S. Bluma, L. Cimini, “MIMO radar with widely separated antennas,” IEEE Signal Process. Mag., vol. 25 (1), pp. 116-129, 2008.

D. W. Bliss, et al. “GMTI MIMO radar.” 2009 International Waveform Diversity and Design Conference, pp. 118-122. http://dx.doi.org/10.1109/WDDC.2009.4800327

A. Hassanien, S. A. Vorobyov, “Phased-MIMO radar: a tradeoff between phased-array and mimo radars,” IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 58 (6), pp. 3137-3151, 2010.

J. Li, P. Stoica, “MIMO radar with colocated antennas,” IEEE Signal Processing Mag., vol. 24, pp. 106-114, Sept. 2007.

I. Bekkerman, J. Tabrikian, “Target detection and localization using MIMO radars and sonars,” IEEE Trans. Signal Processing, vol. 54, pp. 3873-3883, Oct. 2006.

J. Li and P. Stoica, MIMO Radar Signal Processing, JohnWiley& Sons, New York, NY, USA, 2009.

Wen-Qin Wang. “Virtual Antenna Array Analysis for MIMO Synthetic Aperture Radars,” International Journal of Antennas and Propagation, vol. 2012, Article ID 587276, doi:10.1155/2012/587276.

B. Friedlander, “On the Relationship Between MIMO and SIMO Radars,” IEEE Trans. Signal Process., vol. 57(1), pp. 394-398, Jan. 2009.

E. Raei, M. Alaee-Kerahroodi, M.R. Bhavani Shankar, “Spatial- and Range- ISLR Trade-off in MIMO Radar via Waveform Correlation Optimization,” IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 69, pp. 3283 - 3298, 2021.

D. W. Bliss, et al. “GMTI MIMO radar.” Waveform Diversity and Design Conference, 2009 International. pp. 118-122.

MIMO Radar. Theory and Applicationю Jamie Bergin, Joseph R. Guerci (Eds.). Artech house, Boston, London, 2018.

S. Sun S., A. P. Petropulu, H. V. Poor “MIMO radar for advanced driver-assistance systems and autonomous driving: advantages and challenges.” IEEE Signal Processing Magazine. vol. 37(4), pp. 98-117, 2020.

P. Stoica and J. Li, MIMO Radar Signal Processing. Wiley, 2009.

Размещено на Allbest.ru