第３３卷第３期 ２０１３年６月 弹箭与制导学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｌｅｓ，Ｒｏｃｋｅｔｓ，Ｍｉｓｓｉｌｅｓ ａｎｄ Ｇｕｉｄａｎｃｅ Ｖｏ１．３３ Ｎｏ．３ Ｊｕｎ ２０１３
相控阵．ＭＩＭＯ模式雷达导引头模型及关键技术研究
姜永华，李敬军，翟龙军，但 波
（海军航空工程学院，山东烟台２６４００１） 摘要：分析了相控阵雷达导引头和集中式ＭＩＭＯ雷达两种技术优缺点的基础上，提出了一种基于全数字式 相控阵雷达导引头硬件结构且联合运用相控阵雷达技术和集中式ＭＩＭＯ雷达技术的新型雷达导引头。给出 了新型导引头可行的运用模式和结构模型，并对模型中的主要部分进行了分析，总结了新模式导引头的优点， 最后对新型导引头实现的关键技术进行了阐述。 关键词：相控阵；集中式ＭＩＭＯ；可行性；结构模型；关键技术 中图分类号：ＴＪ７６５．３３１ 文献标志码：Ａ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｐｈａｓｅｄ－ＭＩＭＯ Ｒａｄａｒ Ｓｅｅｋｅｒ Ｍｏｄｅｌ ａｎｄ Ｉｔｓ Ｋｅｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ
ＪＩＡＮＧ Ｙｏｎｇｈｕａ，ＬＩ Ｊｉｎｇｊｕｎ，ＺＨＡＩ Ｌｏｎ￣ｕｎ，ＤＡＮ Ｂｏ （Ｎａｖａｌ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｙａｎｔａｉ ２６４００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｐｈａｓｅｄ ａｒｒａｙ ｒａｄａｒ ｓｅｅｋｅｒ ａｎｄ ｃｏｌｌｏｃａｔｅｄ ＭＩＭＯ ｒａｄａｒ，ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｒａｄａｒ ｓｅｅｋｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆｕｌｌｙ ｄｉｇ— ｉｔａｌ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｔｗｏ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ ｒａｄａｒ ｓｅｅｋｅｒ，ａｎｄ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ ｉｔｓ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ．Ａｔ ｌａｓｔ ａ ｓｉｍｐｌｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｎｅｗ ｒａｄａｒ ｓｅｅｋｅｒ ｉｓ ｇｉｖｅｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｈａｓｅｄ ａｒｒａｙ；ｃｏｌｌｏｃａｔｅｄ ＭＩＭＯ；ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｍｏｄｅｌ；ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ
Ｉ， 引置
随着精确制导武器的发展，对于其内部制导系统 的要求也越来越高。雷达导引头特别是相控阵雷达
导引头一直是制导系统的研究热点…，但是其也存在
着一定的缺陷，新体制雷达技术——ＭＩＭＯ雷达技术
的出现为提升雷达导引头的性能提供了可行的技术。
ＭＩＭＯ雷达具有形成虚拟接收阵列孔径；低截获
能力；高参数分辨性；多探测目标及高抗干扰性等优 点 。按照天线阵列的布局ＭＩＭＯ雷达分为两种
体制：分布式ＭＩＭＯ雷达和集中式ＭＩＭＯ雷达。分布
式ＭＩＭＯ雷达为了获得信号的空间分集增益采用非
常大的阵元间距；集中式ＭＩＭＯ雷达运用发射信号分
集的方式并且充分利用了信号间的相干增益，阵元间
距较小，可以运用类似相控阵的结构 来实现。如果 将ＭＩＭＯ雷达应用于导引头上，显然只能采用集中式
ＭＩＭＯ雷达。
１ 新型雷达导引头的可行性分析
１．１ 两种技术的优缺点
相控阵雷达导引头具有自适应性强、反应能力 快、精度高、探测距离远、探测目标多、抗干扰性和可
靠性高等诸多优点。
相控阵雷达为了满足提高数据率、增强抗干扰能
力以及多目标探测的需求，需形成多波束，形成多波
束的方法有串行多波束和并行多波束两种 。如果
采用串行多波束方法，其搜索时间并没有实质性的降
低，而采用并行多波束的方法，一般要采用宽带模式，
这必然要增大设备量和成本，与导引头体积小、重量
轻及尽量降低成本等要求相悖。
集中式ＭＩＭＯ雷达不光具有相控阵雷达的优点，
在虚拟孑Ｌ径、参数识辨能力和可靠性等方面还具有优
势 。采用相控阵结构的集中式ＭＩＭＯ雷达，若采
用正交多相编码的发射信号，可以轻易实现窄带并行
多波束，这样就同时解决了并行多波束和工程实现上
的限制，且由于正交多相编码的运用，使它在窄带基
础上实现了宽带雷达所具有的功能。 由于集中式ＭＩＭＯ雷达的发射波束不能在空间
同相叠加形成类似于相控阵技术产生的窄波束，而是
形成了覆盖整个空域的宽波束，虽然这样其探测范围
更宽广，但是其发射功率也就比使用同样阵列的相控
阵雷达要低，其探测距离要相应的变短，这也就限制
收稿日期：２０１２—１１—１９ 作者简介：姜永华（１９５７一），男，黑龙江绥化人，教授，博士生导师，硕士，研究方向：精确制导技术。
・４２・ 弹箭与制导学报 第３３卷
了集中式ＭＩＭＯ雷达应用范围。 １．２新型导引头的运用模式
综合考虑相控阵技术和集中式ＭＩＭＯ技术的优
缺点，拟在同一导引头中联合运用两种技术，实现两 者的互补，在导弹的自导阶段实现更优的性能。具体
的运用模式为：
１）为了达到体积、重量等的要求，计划采用毫米
波信号作为发射信号，为了相控阵技术和ＭＩＭＯ技术
的综合运用，系统结构采用全数字式相控阵雷达的硬
件结构。
２）当导弹距离目标较远时，利用相控阵雷达探测
距离远的优势，运用相控阵技术对目标进行探测、跟
踪等动作。 ３）当目标距离较近时，运用集中式ＭＩＭＯ雷达技
术对目标进行探测、跟踪与定位。技术运用变换的距
离点（或时间点），应根据信号的脉宽、重频周期、发 射功率及系统要求的响应时间等具体情况来合理
设定。 ４）为了在窄带信号上实现宽带雷达所具有的功
能ｉ在运用集中式ＭＩＭＯ技术时发射波形优先采用正
交多相编码体制。
，５）目标的极化信息对于目标的识别有着非常重
要的作用，这是不能够忽视的，所以在设计两种模式
的发射信号和接收信息的提取时，要考虑在内。
２ 新型雷达导引头的结构模型和优点
为了导引头在相同的结构中同时实现相控阵技 术和ＭＩＭＯ技术，且满足工程上的限制，设计了如图１
所示的全数字式结构，主要由天线阵列、Ｔ／Ｒ收发组
件、发射机、接收机、主控计算机等部分组成。天线阵
面（假设有 根天线）分为若干子阵（如 （１≤Ｌ≤
）个子阵），子阵间允许重叠，天线子阵后面接 个
Ｔ／Ｒ组件，Ｔ／Ｒ组件后面为相应的发射和接收处理，
整个发射／接收过程一直由主控计算机进行控制，并 进行幅相检测和资源的调度。
２．１天线阵列的配置
天线的布阵方式可以采用平面阵或共形阵等形
式。对于天线方案的选择主要根据系统要求的雷达
观察目标的能力、天线副瓣的要求、雷达测角方法、天
线相位控制扫描的范围、极化信息的提取、雷达隐身
性能等指标来进行选择。
最优的选择是共形阵列，具体选用何种阵面，还
要考虑实际工程的需要。 图】 相控阵一ＭＩＭＯ模式雷达导引头系统结构 ２．２ Ｔ／Ｒ组件的构造
典型的有源相控阵雷达系统的天线阵元数量庞 大，要解决安装在导弹上的体积、重量和散热等问题
几乎是不可能的。为了解决这些实际问题，一般的方 法是采用一个天线子阵对应一个Ｔ／Ｒ组件的体系，
若干个天线子阵再构成整个阵列。方案中综合考虑
各方面因素，决定采用上述全数字子阵式Ｔ／Ｒ结构， 其结构如图２所示。
： ：；＼
匕 Ｌ＝ 开关１．１ ｒ一
下变频Ｉ低噪声放大ｌ限幅器
图２ Ｔ／Ｒ组件结构 Ｔ／Ｒ组件包括发射支路、接收支路及控制部分， 发射支路对视频信号进行上变频、高功率放大和滤波
电路，滤波器的作用是抑制对其它装置造成干扰的频
谱分量及高次谐波；接收支路中包括限幅器、低噪声
放大器和衰减器。极化开关用于发射信号是分时极 化信号时提供天线选择的设置。必要时可以在极化
天线前段再加一个波束校正网络用以校正波束的幅
相信息。
２．３发射部分的构成 发射部分采用全数字结构， 个子阵发射机由
ＤＤＳ实现。当雷达主脉冲信号（即雷达的调制信号）
来临时，利用ＤＤＳ技术产生发射波束所必需的幅度、
相位信息，由此产生调制信号以及上变频所需的本振
信号（在接收状态时也使用同样的本振信号进行下变
频），子阵发射机输出的信号经过波束形成网络送往 第３期 姜永华等：相控阵一ＭＩＭＯ模式雷达导引头模型及关键技术研究 ・４３・
Ｔ／Ｒ组件。发射波束形成网络的功能是形成子阵中
各天线单元所需的幅相对应的发射信号，其结构如图 １所示的发射部分。全数字式发射结构具有以下 优点： 发射波束的副瓣更低，波束的控制更为灵活且扫 描速度更快，波束的幅度和相位连续精确可调，幅相 校正只需通过改变模块中的ＤＤＳ控制字就可实现，
对于宽脉冲信号而言，发射波束形成技术可以通过时 钟信号的控制来克服孔径的渡越时间以实现精确的 延时。 ’ ２．４接收部分的构成
经过下变频后的接收信号进入接收部分进行相 应的处理，其结构如图１所示的接收部分。由文献 ［５］等可知，由于波束形成和匹配滤波先后顺序的不 同，对于系统实现的难度和资源占用的多少有很大的 关系，在这里选用先接收波束形成再进行联合匹配滤 波与等效发射波束形成的模式。由于进行的是匹配
滤波和等效发射波束形成的联合处理，所以其匹配滤 波器的数量要减少许多，大大降低了系统实现的难度 和资源量。在联合匹配滤波和等效发射波束形成之
后，信号进入多通道高速信号处理机，对信号进行必 要的检测、估计等操作。
整个的发射／接收过程是在主控计算机的控制下 进行的，由于采用全数字式结构，并进行二维扫描，其 处理的数据量是十分庞大的，这就要求信号处理机的 速度要快，并且需要配置大容量的存储器。 ２．５新型导引头的优点 采用上述结构的新型雷达导引头与相控阵雷达 导引头相比，具有如下优点：
１）更大的等效天线接收孔径； ２）相控阵和集中式ＭＩＭＯ两种技术的灵活运用， 新型导引头既有探测距离的优势，又有探测时间的 缩短； ３）对于相控阵模式来说采用极化相位编码的发 射信号，可获得更多的目标信息，对于ＭＩＭＯ模式来 说还获得了更宽广的探测范围；
４）对于ＭＩＭＯ模式来说，采用正交多相编码信 号，可以在窄带信号的基础上实现宽带的功能； ５）共形天线的运用，可获得更好的隐身性能；
６）更好的抗干扰性能和低截获率。
３ 新型雷达导引头的关键技术
３．１ 新型雷达导引头的硬件结构
相控阵一ＭＩＭＯ模式雷达导引头是在相控阵雷达 的硬件结构上实现的，所以其实现难度与相控阵雷达
导引头的难度是一样的，主要存在天线阵列的设计、 Ｔ／Ｒ组件的研制、扰动去耦及天线阵列的热设计等问 题，文献［１］等已作讨论，这里不做分析。 ３．２新型雷达导引头的调度策略
目前提出的调度策略大多是基于时间规划或能 量分配的自适应调度策略 ｏ ，考虑了任务的优先级、
时间的规划、工作模式的调配、功率的分配等问题。 对于相控阵．ＭＩＭＯ模式雷达导引头来说，不光要考虑 模式内的调度策略，还应考虑模式间的调度策略。
对于模式内的调度，应立足于现有的调度策略研 究适合新体制导引头的调度策略，合理分配好模式内 的时间资源和功率资源，合理确定任务的优先级，选
用合适的工作状态。 对于模式间的调度，考虑将导弹整个的自导阶段 按相对目标的远近及信号的脉宽等指标分为三段：远 程、中程和近程。当导弹位于远程时，如果对于时间
的要求不高时，既可以采用脉冲压缩积累的集中式 ＭＩＭＯ模式，也可以采用串行多波束的相控阵模式， 如果对时间的要求很高，只能根据导弹发射前火控雷
达等系统下达的指令对既定目标进行跟踪追击，这时 应采用单波束的相控阵模式；当导弹处于中程时，这
时导弹距离目标还处于较远的位置，对于雷达低截获 能力的要求还不高，而对于时间上的要求可能比较 高，此时目标已经被锁定，可以采用单波束的相控阵 模式；当导弹处于近程时，对于雷达的低截获能力和
时间的要求很高，且集中式ＭＩＭＯ模式发射一次脉冲 探测距离已经可以探测到目标，此时应采用集中式 ＭＩＭＯ模式，此模式下既可以锁定目标又可以监测周
围区域是否有潜在危险。在整个自导过程，还应考虑 目标的失跟踪和雷达静默等问题。 ３．３ 新型雷达导引头发射信号的设计
方案采用极化体制的窄带天线阵列，且存在两种 工作模式，所以设计合适的发射信号是非常重要的。 对于相控阵模式的极化发射信号已有文献［７］发表， 而对于集中式ＭＩＭＯ雷达的发射信号设计 并没 有涉及极化问题。所以应用于集中式ＭＩＭＯ雷达导
引头的极化发射信号的设计是一个新的领域，在研究 时应充分借助现有的研究成果，重点考虑如何抑制互
相关干扰，降低自相关旁瓣，对于共形阵列还应考虑 共形带来的一系列问题。正交多相编码极化发射信 号是一种可行的方案，它可以在发射窄带相位编码信 号的条件下得到宽带雷达的效益。若采用宽带模式
的导引头，还可以考虑使用频率步进信号或者离散频 率编码信号等信号体制。
３．４新型雷达导引头的匹配滤波和波束形成 对于集中式ＭＩＭＯ模式来说，发射信号虽然要求
是正交的，但是完全正交的信号在工程上是不能实现