多输入多输出（Multiple Input Multiple Output, MIMO）最初是一个源自控制系统的概念，后来被引入到移动通信系统中。鉴于雷达回波信号具有一些与移动通信信道类似的特性，MIMO技术也被扩展应用到了雷达信号接收、目标检测以及雷达成像等领域。

在MIMO雷达系统中，使用了多个发射天线来同时发送相互正交的信号，对目标进行扫描。随后，由多个接收天线捕捉这些从目标反射回来的信号，并对其进行处理，以获取目标的位置信息及其运动状态等相关数据。

MIMO雷达具有以下几方面的优势：

• 检测目标的能力和可靠性：MIMO雷达通过使用多个天线同时发射和接收信号，能够增强对目标的检测能力和系统的整体可靠性。
• 目标参数估计的精度：由于MIMO雷达可以从多个角度收集信息，因此它能提供更为精确的目标参数估计，如目标的距离、速度和角度等。
• 对多目标的分辨能力：MIMO雷达能够在复杂的环境中区分多个目标，提高了系统在密集目标环境下的分辨能力。
• 目标参数估计的模糊性减少：MIMO雷达的设计减少了参数估计中的不确定性，使得对目标特性的判断更加准确。

MIMO雷达系统中不同信号可以通过时域、空域或极化域来进行分离。这种设计增加了信号处理的维度，使得发射和接收孔径的利用更加高效，并且能够实现更高的角度分辨率。

此外，MIMO雷达利用目标散射的空间分集所带来的回波信号去相关特性，可以使回波的平均接收能量趋于稳定（即对空中目标的雷达截面积[RCS]进行平滑），从而减轻目标RCS的波动影响，提升检测性能及目标的空间分辨力。

MIMO雷达通过全向发射相互正交的信号，导致多个发射波形在空间上无法进行传统的波束形成。这一特性使得发射波束的主瓣增益降低至原始值的1/M（其中M为发射天线数量）。同时，每个子阵列的发射功率也减少到原总发射功率的1/M，结果是在距离R处的功率密度仅为原密度的1/M。考虑到功率随距离平方的衰减关系，这种配置显著提升了雷达对抗信号截获的能力。

在接收端，MIMO雷达的每一个阵元都会接收到所有的发射信号，并通过匹配滤波器组将它们分开，从而获得多路回波信号。这种方法引入了远超实际物理阵元数量的观测通道和自由度，相较于传统的单/多基地雷达或相控阵雷达，这大大增强了雷达的整体性能。

由于存在多个并行的空间观测通道，MIMO雷达能够实时地收集携带有关目标不同幅度、时延或相位信息的回波数据。这种并行多通道信息获取的能力是MIMO雷达的核心优势之一，使得其在目标检测与识别方面表现出色。

MIMO雷达与传统阵列雷达的差别

阵列雷达系统由多个位于邻近区域的无方向性天线组成，这些天线既能发射也能接收信号。在发射阵列或接收阵列中，各阵元之间的信号具有高度的相关性，能够综合形成多个波束，并且可以同时扫描整个空域。然而，其性能会受到目标雷达截面（RCS）起伏的影响。目标在距离或方位上的任何细微变化都可能导致其反射能量的显著增减，从而使得目标可能无法被检测到。

MIMO统计雷达将发射机和接收机的传感器分离，其中发射机的传感器阵列中各天线之间的间距足够大，以至于对空间目标产生了角展宽效应（即空间分集）。相比之下，接收机的传感器阵列中各天线间距较紧凑，主要用于进行方向测量。每个发射天线与接收天线的组合形成了一个MIMO子信道，而在不同的发射/接收通道之间（即不同的MIMO子信道之间），信号实现了去相关。这样一来，回波的平均接收能量接近常数，也就是说，回波信号近似保持了雷达截面（RCS）的基本不变性。

MIMO阵列对地观测成像雷达（MIMO-SAR）

将MIMO雷达技术与合成孔径雷达（SAR）系统相结合形成的MIMO-SAR雷达，能够有效解决传统SAR系统中存在的若干技术难题，尤其是脉冲重复频率（PRF）在方位向高分辨率与大测绘带宽之间的矛盾。

在传统SAR中，为了防止距离向上的模糊，需要较低的PRF；然而，为了实现方位向上的高分辨率，则需要较高的PRF来避免多普勒模糊。MIMO技术的应用使得在较低的PRF下同时满足大测绘带宽需求和方位向无多普勒模糊成为可能。

得益于MIMO雷达具备的并行多通道空间采样能力，MIMO-SAR雷达能够在一次脉冲发射过程中获取MN路方位向的空间采样数据（M代表发射天线数，N代表接收天线数）。如果这MN个通道的数据在方位向上是均匀且非重叠分布的话，那么MIMO-SAR雷达所需的PRF就可以降低到传统SAR系统的1/(MN)。这样不仅解决了PRF的选择问题，还提高了雷达系统的效率和性能。

MIMO阵列的三维成像

当前，三维SAR成像可以通过结合二维SAR技术和干涉测量法来实现高度测量。然而，利用较少数量天线的MIMO面阵与SAR技术相结合进行三维成像，正成为一个极具吸引力的研究方向。

这种方法不仅有望简化三维成像系统的复杂性，还能通过MIMO雷达的并行多通道空间采样能力，提高成像效率和质量。通过优化天线配置和信号处理算法，MIMO-SAR系统有可能实现更精细的三维成像，同时减少硬件成本和操作复杂性。这为未来的雷达技术发展提供了新的可能性，尤其是在需要高精度三维地形信息的应用场景中。