基于MIMO技术的山体滑坡雷达*

蒋留兵，杨　涛，车　俐，白云浩

（桂林电子科技大学信息与通信学院，广西　桂林　541004）



基于MIMO技术的山体滑坡雷达*

蒋留兵，杨涛，车俐，白云浩

（桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林541004）

摘要：现有山体滑坡雷达是轨道式的，这样就需要精确控制雷达的运动来获得高方位向分辨率，因此，硬件设备要求极高。利用多输入多输出(MIMO)技术通过分时发射和接收信号来获取高方位向分辨率，可以免去雷达运动，从而简化了雷达设备和降低雷达成本。此外，结合步进频连续波技术可以使山体滑坡雷达保持高距离向分辨率的同时进一步降低对硬件的要求，更易于工程实现，成本更低。通过MATLAB仿真初步验证了该方案的可行性。

关键词：MIMO技术，步进频连续波技术，山体滑坡雷达

0　引言

山体滑坡是非常危险的地质灾害。如果没有采取有效措施，它将会带来巨大损失。雷达受环境因素影响小，具备全天候监测能力，同时雷达还可以进行无接触式的监测，可以充分保障监测人员的安全。正是雷达具备这些优点，近年来，这种用于监测山体滑坡的雷达装置成为人们研究的热点，鉴于它的具体运用环境称它为山体滑坡雷达。山体滑坡雷达的本质是合成孔径雷达，它用干涉原理来监测微小形变，具有高精度、高分辨率的监测优势［1］。典型的山体滑坡雷达有欧洲委员会联合研究中心研制的LISA（Linear SAR）［2］和意大利IDS公司生产的商用山体滑坡雷达—微变形监测系统（Image by Interferometric Survey，IBIS）［3］。这些雷达系统具有较好实际运用价值，具有较高监测能力。但它们均是依靠雷达的实际运动来获得高方位向分辨率。这样需要精确控制雷达的运动，以避免运动误差带来不必要的监测误差。这样一来不但设备体积庞大复杂，而且存在一个影响雷达监测精度的不利因素。这些因素造成现有山体滑坡雷达的成本很高，不利于市场化。多发多收（MIMO）技术逐渐被运用于雷达上，两者的结合构成一种新型雷达体制。通过多个天线发射和多个天线接收来获得远多于实际天线数目的等效观测通道［4］，从而可以避免雷达通过运动的方式获得高方位向分辨率，这样既可以简化雷达硬件设备，又可以避免因为运动误差而带来不必要的监测误差。步进频连续波具有瞬时带宽小的特点，MIMO体制的山体滑坡雷达采用步进频连续波技术可以进一步降低雷达对设备硬件的要求。总体来讲，本文是MIMO技术与步进频连续波技术相结合运用于山体滑坡雷达的一个初步研究。

1　 MIMO技术

MIMO技术是指在发射端和接收端均采用多个天线，信号通过发射端和接收端的多个天线发送和接收［5］。MIMO技术首先是运用在通信方面，通过多个信道来解决多径问题。而MIMO运用在合成孔径雷达上，同样是利用MIMO技术中多个发射和接收天线间形成的多个独立的通道。如图1所示。

图1 MIMO雷达天线收发示意图

图1中t1、t2和t3分别表示3个发射天线，r1、r2和r3分别表示3个接收天线。图1中3×3阵列MIMO雷达可以形成9个独立的通道。为了保证每个观测通道相互独立互不干扰，有两种方式：①发射信号具有相互正交性，满足如下数学关系式（1）：

其中Si（t）、Sj（t）分别是不同天线发射的信号，T表示一个脉冲周期；②发射天线和接收天线进行分时发射和接收［6］。第2种方案较第1种方案省去了发射信号之间的正交性，同时也省去了接收天线端的匹配滤波。本文采用第2种方案。因为第1种方案需要发射信号波形具有正交性和接收端需要对应匹配滤波，使得系统复杂性提高，而且随着所需合成孔径增大，天线数目越来越多，接收端每根天线需配备的匹配滤波器数目随之增加，这样一来就增加了设备复杂性和成本。

2　步进频连续波技术

步进频连续波技术是通过发射一系列频率步进的单频脉冲在时域合成一个窄脉冲来取得距离向的高分辨率。例如发射多个频率步进的连续的三角波脉冲，它们的和可以看成是频域矩形脉冲的傅立叶级数。而频域是矩形的脉冲变换到时域可以形成一个Sa函数信号，即时域合成一个窄脉冲，斜距不同的目标，窄脉冲出现位置不一样，从而在距离向上分离出不同目标。

可以将一个很宽的频带均匀的分割成N赞个频点，然后通过N赞个单频点脉冲信号依次辐射出去。接收端依次接收这些脉冲，混频后对这一组脉冲进行IFFT（傅立叶逆变换）变换，从而可以在时域上形成一个窄脉冲。设T为脉冲持续时间，其等于脉冲重复周期（PRT）Tr，△f为频率步进间隔，f0为起始频率，信号传播路径所造成的时延为τ。混频后回波信号表示为（t），对其进行IFFT变换得到时域脉冲h（l）［7］，rect（t）为矩形函数，具体计算如下：

对式（2）取模，得到式（3）。

由式（3）得到综合后脉冲峰值出现在l取下列值处：

3　现有山体滑坡雷达系统

现有的山体滑坡雷达系统主要由轨道控制系统单元、天线、收发系统单元和数字处理机单元组成［5］，如图2所示：

图2现有山体滑坡雷达系统架构

由轨道控制系统单元发出控制信号控制雷达沿轨道运动，收发系统单元负责脉冲的发射和回波的采集，最后回波信号传输到数字处理机单元进行后续信号处理。

4　山体滑坡雷达系统方案

4.1山体滑坡雷达系统方案简述

本文所提山体滑坡雷达系统主要是创新性地将MIMO技术和步进频连续波技术运用到雷达上。假设MIMO雷达具有M个发射天线和N个接收天线，工作带宽为B，频率步进值为△f，每组发射脉冲子脉冲数为Q，脉冲发射重复周期（PRT）为Tr，其等于脉冲持续时间T。因为每个收发天线均可以独立控制，所以可以将发射天线和接收天线线性排布，发射天线间隔为N，接收天线间隔［9-10］。通过分时发射和接收的方法获得MN个独立互不干扰的观测通道。雷达系统的整体框架如图3所示。

图3本文山体滑坡雷达系统整体框架

具体实现步骤如下：

①首先由信号产生单元产生基带信号，经过信号调制单元将基带信号调制到发射频段，然后经过射频前端放大单元使得发射信号具备一定的功率。

②信号发射和接收在天线分时控制单元的控制之下进行，每个发射天线发射N组脉冲，M个天线在天线分时控制单元的控制下分时依次发射，每个发射天线发射的N组脉冲在天线分时控制单元的控制下依次由N个接收天线分时接收，每个接收天线接收其中一组脉冲。M个天线发射完毕即完成一次目标扫描。

③接收信号经过低噪声放大单元后，送入正交解调单元，以发射信号为参考信号进行正交解调。解调后的信号送入信号处理单元进行成像处理。

4.2山体滑坡雷达系统方案数学建模

4.2.1山体滑坡雷达系统方案回波数据数学建模

如上节讨论，雷达有M个发射天线和N个接收天线，假设第m个发射天线辐射出去的信号为Sm（t）。

式（6）中，wm为第m个天线的增益，Q表示每组脉冲的子脉冲数，N表示脉冲组数。则可以由式（6）推出M个发射天线发射信号的总和S（t）表示如下：

为了更加直白明了地说明问题，数学建模的时候仅讨论单目标的情形，且目标为中心散射模型，如图1所示。首先建立直角坐标系，以发射和接收天线所组成的直线为X轴，水平垂直X轴的方向为Y轴。以第1个发射天线所在位置为坐标原点。假设目标的坐标为（X0，Y0），则目标到第m个发射天线的距离为，到k个接收天线的距离为Rkr。

发射信号照射目标后，目标反射回波到达天线接收后回波信号模型Sr（t）如下所示：

式（12）中第1个指数项为信号载频相移，其与方位向分辨率有关，第2个指数项是距离向目标时延，与其距离向分辨率有关。

4.2.2成像处理

上节得到信号的回波数据数学模型后，采取相关成像算法对回波数据进行处理，最后得到目标的二维像。对回波信号作IFFT变换就可以实现距离向的压缩。距离压缩后的回波信号为hr（l）。

由于传统合成孔径成像算法大都适用于单站均匀空间采样数据，不容易处理多收发天线阵列结构的回波数据［8］，所以本文采用标准反向投影（BP）算法成像。将包含目标点的监测区域划分成合适的网格，计算出每一网格点上的时延，根据时延对式（13）进行时延补偿后，逐点相干叠加得到目标点的二维像。

5　山体滑坡雷达系统方案MATLAB仿真

在仿真之前先给出现有山体滑坡雷达和本文山体滑坡雷达的主要仿真参数，如表1所示。

表1雷达主要仿真参数

假设目标是中心散射模型，散射系数均视为1。目标位置参数（X0，Y0）=（1.5 m，25 m）。根据第4节数学理论模型进行MATLAB仿真验证，起始频率f0=15 GHz，带宽B=300 MHz，频率步进间隔△f=0.15 MHz［11］，每组脉冲子脉冲个数Q=2 001，脉冲重复周期（PRT）Tr=2 us等于脉冲持续时间T，脉冲采样频率Fs=B。发射天线数M=22，接收天线数N=22，天线布局如4.1节所述，MATLAB仿真成像如图4（a）所示。根据表1中现有山体滑坡雷达系统的参数，以同样的实验场景用MATLAB仿真出它的目标二维成像，如图4（b）所示。

图4单点目标成像MATLAB仿真图

多目标成像。雷达参数如上所述，散射系数均视为1，现目标位置参数为：（X1，Y1）=（1.5 m，25 m）；（X2，Y2）=（1.5 m，25.9 m）；（X3，Y3）=（1.5 m，27 m）；（X4，Y4）=（1.5 m，27.9 m）；（X5，Y5）=（2.0 m，25 m）；（X6，Y6）=（2.0 m，25.9 m）；（X7，Y7）=（2.0 m，27 m）；（X8，Y8）=（2.0 m，27.9 m）；（X9，Y9）=（2.4 m，25 m）；（X10，Y10）=（2.4 m，25.9 m）；（X11，Y11）=（2.4 m，27 m）；（X12，Y12）=（2.4 m，27.9 m）。本文山体滑坡雷达系统MATLAB仿真成像如图5（a）所示，现有山体滑坡雷达系统MATLAB仿真成像如图5（b）所示。

图5多点目标成像MATLAB仿真图

从图4和图5可以看出，现有山体滑坡雷达系统与本文山体滑坡雷达系统仿真性能相当，说明本文所提山体滑坡雷达系统方案理论上得到验证。

6　结论

目前山体滑坡雷达设备复杂硬件要求高，设备成本高，不利于山体滑坡雷达的市场化推广。本文在保持雷达高分辨率的前提下，以降低设备复杂度和对硬件的要求为目的，结合MIMO技术和步进频连续波技术，对现有山体滑坡雷达的改进进行了初步研究。通过MATLAB的仿真验证一定程度上证明了本文所提方案的可行性，可以为现有山体滑坡雷达的改进提供帮助和参考。

参考文献：

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Research of Landslide Monitoring Radar Based on MIMO Technology

JIANG Liu-bing，YANG Tao，CHE Li，BAI Yun-hao
（School of Information and Communication Engineering，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China）

Abstract：The existing landslide monitoring radar is based on a rail，so the motion of the radar should be precisely controlled to obtain high azimuth resolution.It causes that the stability and accuracy of current landslide monitoring radar is highly depended on complex and expensive equipment.The high azimuth resolution also can be obtained through Multiple-Input Multiple-Output（MIMO）technology by time-sharing to transmit and receive signals.By this way landslide monitoring radar doesn't require to move，so it is helpful to simplify the radar equipment and reduce its cost.What's more，combining stepped frequency continuous wave technology，landslide monitoring radar can be more easier for project implementation without sacrificing high range resolution.The feasibility of new landslide monitoring radar has been validated by MATLAB simulation.

Key words：MIMO technology，stepping frequency continuous wave technology，landslides monitoring radar

作者简介：蒋留兵（1973-），男，江苏泰兴人，硕士，研究员。研究方向：智能信息处理。

*基金项目：国家自然科学基金（61162007）；广西自然科学基金（2013GXNSFAA019323）；广西科学研究与技术开发计划项目（桂科攻14122006-6）

收稿日期：2014-12-21

文章编号：1002-0640（2016）02-0148-05

中图分类号：TN958

文献标识码：A

修回日期：2015-02-18