MIMOレーダー

MIMO システムでは、各送信機からの送信信号は異なります。その結果、エコー信号はソースに再割り当てされ、仮想受信アパーチャが拡大されます。

多入力多出力（MIMO）レーダーは、従来のレーダーシステムを拡張して、複数の入力と複数の出力（アンテナ）を利用するもので、無線リンクの容量を増やすために使用されるMIMO技術に似ています。^[1]^{[2] MIMOレーダーは、}開口部全体に分散されたデジタル受信機と波形発生器を使用する高度なタイプのフェーズドアレイレーダーです。MIMOレーダー信号は、マルチスタティックレーダーに似た方法で伝搬します。ただし、監視エリア全体にレーダー要素を分散させる代わりに、アンテナを近くに配置して、空間分解能、ドップラー分解能、およびダイナミックレンジを向上させます。^{[3] MIMOレーダーは、}低迎撃確率レーダー特性を得るためにも使用できます。^[4]

従来のフェーズドアレイシステムでは、空間分解能を向上させるために追加のアンテナと関連ハードウェアが必要です。MIMO レーダーシステムは、複数の送信アンテナから相互に直交する信号を送信し、これらの波形は、一連の整合フィルターによって各受信アンテナから抽出できます。たとえば、MIMO レーダーシステムに 3 つの送信アンテナと 4 つの受信アンテナがある場合、送信信号の直交性により、受信機から 12 個の信号を抽出できます。つまり、受信信号にデジタル信号処理を施すことで、わずか 7 本のアンテナを使用して 12 要素の仮想アンテナアレイが作成され、フェーズドアレイに比べてより細かい空間分解能が得られます。

仮想配列の概念

この図は、M バイ N MIMO レーダーシステムを示しています。ターゲットがuにあり、送信アンテナがにあり、受信アンテナがにあるとします。受信アンテナで受信された信号は次のように表すことができます。 $\scriptstyle m^{th}$ $\scriptstyle x_{T,m}$ $\scriptstyle n^{th}$ $\scriptstyle x_{R,n}$ $\scriptstyle n^{th}$

y_{n}(t)=\sum _{m=1}^{M}x_{m}(t)e^{j{\frac {2\pi }{\lambda }}u^{T}(x_{T,m}+x_{R,n})}

前述のように、{ , m=1, ..., M}が直交集合である場合、受信アンテナからM個の信号を抽出することができ、各信号には個々の送信経路の情報が含まれています( )。 $\scriptstyle x_{m}(t)$ $\scriptstyle n^{th}$ $\scriptstyle u^{T}(x_{T,m}+x_{R,n})$

フェーズドアレイレーダーとMIMOレーダーを比較するために、送受信アンテナアレイと仮想アレイの関係がいくつかの資料で議論されています。^[5]^[1]^[6]送信アンテナアレイと受信アンテナアレイの配置がそれぞれ2つのベクトルとで表される場合、仮想アレイの配置ベクトルはとの畳み込みに等しくなります。 $\scriptstyle h_{T}$ $\scriptstyle h_{R}$ $\scriptstyle h_{T}$ $\scriptstyle h_{R}$

h_{V}=h_{T}*h_{R}

上の図は、仮想アレイを形成するためのアンテナジオメトリの例を示しています。最初の例では、合計 6 本のアンテナがあるにもかかわらず、均一に分散された 2 つのアンテナアレイが 5 要素の仮想アレイを形成しています。2 番目の例では、送信アンテナ間の距離を広げることで 9 要素の仮想アレイが得られ、より優れた空間解像度を実現できることを示しています。

N*M信号に基づいて目標の到来方向を推定するために、 MUSIC（アルゴリズム）や最大尤度推定などの方法が一般的に使用され、良好な結果が得られています。^[7]^[8]

直交信号

MIMOレーダーの分野では、さまざまな直交信号セットが使用されています。提案されている信号セットの1つは、スペクトルインターリーブマルチキャリア信号であり、これは直交周波数分割多重信号の修正版です。 ^[9]このアプローチでは、利用可能なサブキャリアの総量が、インターリーブ方式で異なる送信アンテナ間で分散されます。

提案されている別の信号セットは直交チャープ信号であり、次のように表現できます。

x_{m}(t)=\exp \left(2\pi j(f_{m,0}t+{\frac {1}{2}}kt^{2})\right)

異なる初期周波数を選択することで、これらのチャープ波形を直交させることができます。^[10] $\scriptstyle f_{m,0}$

注記

^ ab Bliss, DW; Forsythe, KW (2003). 「MIMO (Multiple-input multiple-output) レーダーとイメージング: 自由度と解像度」.第37 回アシロマ信号・システム・コンピュータ会議、2003 年。パシフィックグローブ、カリフォルニア州、米国: IEEE。pp. 54–59。doi : 10.1109 /ACSSC.2003.1291865。ISBN 9780780381049. S2CID 60633689。
^ Kalkan, Yılmaz (2024). 「MIMOレーダーの20年」IEEE航空宇宙および電子システムマガジン：1–5。doi ：10.1109/ MAES.2023.3349228。ISSN 0885-8985 。
^ Rabideau, DJ (2003). 「ユビキタス MIMO 多機能デジタルアレイレーダー」。第 37 回アシロマ信号・システム・コンピュータ会議、2003 年。第 1 巻。pp. 1057–1064。doi : 10.1109/ACSSC.2003.1292087。ISBN 978-0-7803-8104-9. S2CID 60452716。
^ Rabideau, DJ (2003). ユビキタスMIMO多機能デジタルアレイレーダー...およびレーダーにおける時間エネルギー管理の役割(PDF)。国防技術情報センター。2019年12月3日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) 。
^ J. Li および P. Stoica (編): MIMO レーダー信号処理。J Wiley&Sons、米国、2009 年。
^ KW Forsythe、DW Bliss、GS Fawcett。「MIMO (Multiple-input multiple output) レーダー: パフォーマンスの問題」。信号、システム、コンピュータに関する会議、1:310–315、2004 年 11 月。
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^ Sturm, Christian、他「レーダーネットワークアプリケーションおよびマルチ入力マルチ出力レーダー用のスペクトルインターリーブされたマルチキャリア信号」IET レーダー、ソナー、ナビゲーション 7.3 (2013): 261-269。
^ Chen、Chun-Yang、PP Vaidyanathan。「MIMO レーダーの曖昧性特性と周波数ホッピング波形を使用した最適化」IEEE Transactions on Signal Processing 56.12 (2008): 5926-5936。

[:0-1] Bliss, DW; Forsythe, KW (2003). 「MIMO (Multiple-input multiple-output) レーダーとイメージング: 自由度と解像度」.第37 回アシロマ信号・システム・コンピュータ会議、2003 年。パシフィックグローブ、カリフォルニア州、米国: IEEE。pp. 54–59。doi : 10.1109 /ACSSC.2003.1291865。ISBN 9780780381049. S2CID 60633689。

[2] Kalkan, Yılmaz (2024). 「MIMOレーダーの20年」IEEE航空宇宙および電子システムマガジン：1–5。doi ：10.1109/ MAES.2023.3349228。ISSN 0885-8985 。

[3] ^ Rabideau, DJ (2003). 「ユビキタス MIMO 多機能デジタルアレイレーダー」。第 37 回アシロマ信号・システム・コンピュータ会議、2003 年。第 1 巻。pp. 1057–1064。doi : 10.1109/ACSSC.2003.1292087。ISBN 978-0-7803-8104-9. S2CID 60452716。

[4] Rabideau, DJ (2003). ユビキタスMIMO多機能デジタルアレイレーダー...およびレーダーにおける時間エネルギー管理の役割(PDF)。国防技術情報センター。2019年12月3日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) 。

[5] J. Li および P. Stoica (編): MIMO レーダー信号処理。J Wiley&Sons、米国、2009 年。

[6] KW Forsythe、DW Bliss、GS Fawcett。「MIMO (Multiple-input multiple output) レーダー: パフォーマンスの問題」。信号、システム、コンピュータに関する会議、1:310–315、2004 年 11 月。

[7] Gao, Xin、他「バイスタティック MIMO レーダーの角度推定における MUSIC 派生アプローチについて」ワイヤレスネットワークおよび情報システム、2009 年。WNIS'09。国際会議。IEEE、2009 年。

[8] Li, Jian、およびPetre Stoica。「共存アンテナを備えたMIMOレーダー」IEEE信号処理マガジン24.5（2007）：106-114。

[9] Sturm, Christian、他「レーダーネットワークアプリケーションおよびマルチ入力マルチ出力レーダー用のスペクトルインターリーブされたマルチキャリア信号」IET レーダー、ソナー、ナビゲーション 7.3 (2013): 261-269。

[10] Chen、Chun-Yang、PP Vaidyanathan。「MIMO レーダーの曖昧性特性と周波数ホッピング波形を使用した最適化」IEEE Transactions on Signal Processing 56.12 (2008): 5926-5936。