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本文的主要作者包括来自马来西亚玛拉工艺大学（Universiti Teknologi MARA）电气工程学院的Suraya Zainuddin、Nur Emileen Abd Rashid，来自同一大学微波研究所（Microwave Research Institute）的Idnin Pasya，来自马来西亚马六甲技术大学（Universiti Teknikal Malaysia Melaka）工程技术学院的Raja Syamsul Azmir Raja Abdullah，以及来自Araken Sdn. Bhd.的Abdul Rahman Abdullah。该研究发表于2018年IEEE国际射频与微波会议（Proceedings of 2018 IEEE International RF and Microwave Conference），论文页码为第329至332页。

该研究属于雷达信号处理与目标检测领域，具体聚焦于多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output, MIMO）体制下的调频连续波（Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW）雷达在海洋小目标探测中的性能评估。在海洋环境中，小型船只由于雷达散射截面（Radar Cross Section, RCS）较低且信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）较弱，其探测一直是一个公认的难题。文献中通常将长度小于20米的船只定义为小型船只，而目标的RCS会随着工作频率、入射角、目标速度、几何形状和材料等因素变化。海洋目标回波通常具有脉冲间慢起伏特性，这种特性可以用Swerling 1模型来描述。RCS的起伏会进一步增加海洋探测的难度。FMCW雷达因其对噪声的稳健性而被广泛应用于海洋环境，但在RCS慢起伏和海杂波尖峰存在的情况下，探测问题仍然存在。利用空间分集和频率分集的方法，例如在调制方案上实现MIMO概念，可能有助于缓解这一问题。已有研究提出了在FMCW体制上实现MIMO的几种方案，但未讨论其性能；也有研究利用极化分集实现MIMO，但极化分集提供的自由度有限。针对这一背景，本文提出了一种基于频分方法的MIMO FMCW雷达系统，并描述了具体的波形设计方法和接收端的MIMO处理流程。研究的目标是通过数值仿真评估该系统在Swerling 1目标下的测距性能。

本文的研究流程主要包括系统建模、信号生成与发射、信道仿真、接收处理以及性能评估五个主要环节。在系统建模环节，作者模拟了一个2×2 MIMO系统框图。系统包含两个发射天线和两个接收天线，所有发射和接收天线被假设共址于同一位置。发射端生成三角形调制的FMCW基带信号。两个基带信号分别在不同频率范围内进行扫频，其带宽均设为10 MHz。根据仿真设置，无间隔频带情况下，第一路发射信号（BW1）的扫频范围为0至10 MHz，第二路发射信号（BW2）的扫频范围为10至20 MHz；在有间隔频带情况下，BW1的扫频范围保持0至10 MHz，而BW2的扫频范围移至20至30 MHz。采样频率设为80 MHz，距离分辨率为7.5米，目标距离设为50米，信噪比范围为-30 dB到30 dB，每种信噪比条件下的迭代次数为10,000次。在信号生成与发射环节，两个基带信号被上变频至1.3 GHz的工作频率，由两个发射天线同时发射。在信道仿真环节，传输信道被假设为自由空间无线电传播，信号经过一个距离为50米的Swerling 1起伏目标反射。仿真采用蒙特卡洛方法，在接收端对反射信号加入热噪声，以获得所需的信噪比范围。在接收处理环节，每个接收天线接收到的信号首先进行下变频处理，然后通过一个滤波器组进行子带处理。滤波器组由两个带通滤波器组成，分别对应于BW1和BW2。子带处理通常应用于超宽带雷达中，其目的是将两个发射信号的频段分开，从而实现MIMO信号的正交性。带通滤波器采用有限冲激响应滤波器，使用汉明窗，滤波器阶数为100。对滤波后的每一路信号分别进行传统的FMCW测距处理，即将滤波信号与参考信号在时域上混频，得到差拍信号。每个接收路径产生一个差拍信号后，对每个差拍信号进行快速傅里叶变换，得到各自的频谱。然后，将所有四个输出进行频谱平均融合，得到一个平均频谱。对平均频谱进行峰值检测，获得差拍频率，最后根据差拍频率估算目标距离。在性能评估环节，目标距离被判定为“检测正确”或“无误差”的条件是估计距离与实际距离之差的绝对值小于3.5米。系统性能从概率距离误差和平均距离误差两方面进行分析。

仿真结果分为波形与频谱分析、距离误差概率性能、以及平均距离误差性能三部分。在波形与频谱平均分析方面，仿真中的2×2 MIMO系统利用频分方案实现了两路信号的正交性，这可以通过频域观察验证。频谱图显示，在带通滤波之前，两路信号的频谱彼此靠近。无间隔频带情况下，滤波后BW2信号中仍可能存在残余频率分量，从而引起干扰；这种干扰在多普勒存在时可能会加剧。频谱平均的结果表明，在某些目标RCS极低的情况下，单个带宽的差拍信号可能产生较低的峰值，而频谱平均处理能够掩盖这一效应，因为平均频谱取两个带宽之间的平均值，从而有助于提高测距性能。在距离误差概率方面，在信噪比为-30 dB到大约-5 dB的范围内，MIMO和单输入单输出（Single-Input Single-Output, SISO）情况均出现误差平台，随后误差显著下降。在0至30 dB的信噪比区域，MIMO的距离误差概率低于SISO BW1和SISO BW2。在20%距离误差概率处进行观察，MIMO相比SISO情况约有3 dB的改善。此外，在30 dB信噪比时，MIMO的距离误差概率达到0，而SISO BW1和SISO BW2仍有0.0024和0.0020的误差概率。这一改善归因于接收端MIMO处理所带来的频率分集效应。在引入间隔频带的情况下，MIMO的概率距离误差和平均距离误差出现了轻微退化，这主要是由于BW2性能下降的影响，但MIMO仍然优于两种SISO拓扑。平均距离误差与概率距离误差存在相互关联。在-30 dB至-5 dB信噪比范围内，所有情况均呈现平坦的误差趋势，其中SISO BW1产生的平均距离误差最高。从0 dB信噪比开始，MIMO表现出优于两个SISO系统的趋势。

本研究的结论指出，所提出的MIMO FMCW雷达方案通过频谱平均处理，在检测Swerling 1目标时相比SISO拓扑具有更好的测距性能。在20%距离误差概率下，MIMO相比SISO约有3 dB的信噪比改善。此外，在发射MIMO波形中引入间隔频带可以避免接收端的频带间干扰。该研究的结果为在FMCW体制上设计MIMO波形以及提高MIMO雷达对小型海洋船只的测距估计性能提供了重要基础。未来的工作将包括在杂波环境下的测距性能仿真、不同MIMO处理方法的比较研究以及实验验证。

本研究的亮点在于提出了一种具体的频分MIMO FMCW波形设计方法，通过在两个子频带之间引入间隔频带以避免共频带干扰，并在接收端采用频谱平均方法融合多路差拍信号，从而实现频率分集增益。研究对象聚焦于海洋环境中RCS慢起伏的小型船只目标，采用Swerling 1模型进行建模，具有较强的场景针对性。该工作将MIMO的频率分集优势与FMCW的稳健性相结合，为海洋小目标探测中的测距性能改善提供了一种可行的方案。