CN108226871A - 基于毫米波避撞雷达的分集相控阵设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于毫米波避撞雷达的分集相控阵设计方法，通过设计雷达发射阵元间距等于接收阵列长度，发射波束通过多个拍次的扫描实现全空域覆盖，其中每个拍次会形成多个方向上的发射栅瓣，接收波束通过数字波束形成(DBF)在每个拍次上同时指向发射栅瓣位置，通过多排次的合成形成覆盖全空域的扫描。该方法不需产生正交信号，但能实现MIMO雷达虚拟孔径的性能，因此能有效控制系统复杂度降低雷达成本。

Description

基于毫米波避撞雷达的分集相控阵设计方法

技术领域

本发明所属雷达总体设计领域，具体为毫米波避撞雷达的分集相控阵天线阵列设计和信号处理方法。

背景技术

毫米波防撞雷达往往采用调频连续波(LFMCW)体制，为扩大天线接收口径，提高雷达方位分辨率可采用多发多收(MIMO)系统。

传统MIMO系统需要发送正交信号，正交方式可分为时分、频分、码分方式。其中，时分方式由于发射天线分时发射，因此需要补偿由于目标运动造成的接收端相位差，需要引入额外的相位补偿算法；另外随着发射天线数目的增加，等效的脉冲积累周期(CPI)呈倍数增加，容易造成测速模糊。频分方式由于发射天线分频发射，又由于由距离造成的相位差和频率相耦合，因此接收端在解调不同天线发射的信号时需逐距离单元进行解调，算法过于复杂难以用于实时性要求高的系统。码分方式由于发射天线发射正交编码信号，因此不能像传统LFMCW那样通过自混频进行波形去斜来减小接收带宽，因此要求极高的采样率和信号处理能力，增加了系统成本。

利用分集相控阵技术，既能获得MIMO雷达增加虚拟孔径的优势，又能降低系统的复杂度从而控制系统的成本和体积。

近年来国内外有多位学者提出分集相控阵理论。该类文献虽说明了分集相控阵的原理及可行性，但并未从避撞雷达的实际工作环境来设计系统，也缺少具体的工程实现方法。本发明针对分集相控阵雷达在避撞领域的应用，对天线阵列设计和信号处理方法进行推导，并给出工程上的具体实现方法。

发明内容

要解决的技术问题

在毫米波防撞雷达领域，为了扩大天线孔径并尽可能的降低天线收发通道数，往往利用MIMO雷达技术实现虚拟孔径的生成，由于MIMO雷达需要发射正交信号，在接收端解调分离各发射支路信号需要引入复杂的信号处理算法，增加了系统成本。

技术方案

一种基于毫米波避撞雷达的分集相控阵设计方法，雷达发射阵元间距等于接收阵列长度。发射波束通过多个拍次的扫描实现全空域覆盖，其中每个拍次会形成多个方向上的发射栅瓣，接收波束通过数字波束形成(DBF)在每个拍次上同时指向发射栅瓣位置。通过多排次的合成形成覆盖全空域的扫描。

一种基于毫米波避撞雷达的分集相控阵设计方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：接收阵列包含N个阵子单元，阵元间间距为d_R＝αλ，其中α为比例系数，λ为雷达波长；发射阵列包含M个阵子单元，阵元间间距为d_T＝Nαλ；

步骤2：计算发射栅瓣出现位置：θ_n＝arcsin(nλ/d_T+sinθ₀)＝arcsin(n/Nα+sinθ₀)，θ₀为雷达的空间指向；计算不同拍次的接收阵列移相相位间隔其中n表示第n个接收阵元，m表示第m个拍次，m∈[0,M-1]，θ_m＝mθ_n/M；在第m个拍次接收阵列按照进行移相使得接收波束指向发射波束的各栅瓣位置；

步骤3：根据M个拍次获得的子空域探测到的目标强度，在目标方位插值表中查询目标的估计角度信息；所述的目标方位插值表根据阵列天线远场测试获得的方向图，具体为幅度比和角度的对应关系。

有益效果

本发明设计一种基于毫米波避撞雷达的分集相控阵设计方法，该方法不需产生正交信号，但能实现MIMO雷达虚拟孔径的性能，因此能有效控制系统复杂度降低雷达成本。

附图说明

图1为MIMO雷达信号处理示意图。

图2为2发8收MIMO雷达示意。

图3为2发射天线0相差和π相差的天线方向图。

图4为2发8收分集相控阵雷达的收发合成方向图。

图5为0°和7.2°波束交叠示意图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明包括毫米波避撞雷达的分集相控阵天线阵列设计和信号处理方法两个方面，主要包含如下步骤：

(1)对分集相控阵雷达和MIMO雷达的性能等效关系进行数学推导证明；

(2)分集相控阵雷达天线方向图的合成方法；

(3)单拍数据的信号处理方法；

(4)多拍数据的信号合成方法。

下面分别对各步骤进行具体描述：

步骤(1)

集中式MIMO雷达通过发射正交波形形成虚拟孔径，其信号处理流程如图1所示。令目标为单一目标，雷达各收发单元的辐射强度和回波到达各天线单元的回波强度均一致(为便于分析令该强度为单位强度)。令经过数字域处理后MIMO雷达的空间指向角度为θ，则阵元合成的矢量和为：

式1.1中，阵元的输入信号被分为两项，为信号矢量，V_{m_n}为噪声矢量。Δφ_t和Δφ_r表示由波程差引起的发射天线相邻阵元和接收天线相邻阵元辐射场的相位差，和是为了形成θ方向波束而引入的阵元间相移，有 其中d_t和d_r分别表示发射单元和接收单元的间距，θ_t和θ_r分别为发射和接收波束指向。V_{m_n}表示第n个接收通道对第m个发射通道的波形进行解扩后的噪声。

对目标回波信号的矢量合成项进行细化分析：

由式1.2可见，雷达的目标回波信号的矢量合成实际为雷达收发方向图的乘积。因此对于收发分置的MIMO雷达，若采用分集相控阵方式，只要能产生和MIMO雷达相同的指向，则MIMO雷达和相控阵雷达的合成方向图完全一致。

步骤(2)

将MIMO雷达的虚拟孔径按波达方向进行全相参处理，则由虚拟孔径形成的方向图等效为发射孔径的方向图乘以接收孔径的方向图。因此对于分集相控阵雷达，只要通过移相手段保证发射阵列的波束指向和接收阵列的波束指向一致，则在该指向上合成的天线方向图与MIMO雷达合成方向图是一致的。

对于具有M个发射通道N个接收通道，发射通道间隔为d_Tx接收通道间隔为d_Rx的MIMO雷达，为获取最大合成孔径，一般取d_Tx＝N*d_Rx，d_Rx＝0.5λ。对于相控阵雷达，若采取同样的天线排布，则由于d_Tx>λ，则天线发射方向图会形成栅瓣。

如图2所示，模拟一个2发8收的MIMO雷达系统，接收间距d_Rx＝0.5λ，d_Tx＝4λ，则合成虚拟孔径后等效为一个1发16收的雷达系统。若按该天线收发间距设计分集相控阵雷达，则发射天线方向图会产生栅瓣。考虑两发射天线相差为0和π的情况下，会产生如图3所示的发射方向图。图3中，发射天线相差为0和π时会各产生8个方向的栅瓣指向，若接收天线能在2个时刻分别覆盖这8个方向则同样能等效为一个1发16收的雷达系统。

步骤(3)

令接收阵列包含N个阵子单元，阵元间间距为d_R＝αλ，其中α为比例系数，λ为雷达波长。则根据步骤(2)合适的发射单元间距为d_T＝Nαλ。

工程上为了在数字域实现快速高效的移相，往往采用基于FFT的波束形成方法。而FFT是批处理算法，即一次处理会在多个方向上形成波束的空间指向。令雷达的空间指向为θ₀，则在因此若θ₀＝0，则有θ_n＝θ'_n即N个接收通道进行FFT处理后对应的接收方向指向正好指向N个栅瓣方向。而通过在一个周期的不同拍次控制发射天线的相差可实现基于θ_m的移相，θ_n方向会出现栅瓣：

πd_T(sinθ_n-sinθ₀)/λ＝nπn＝±1,±2

即：

θ_n＝arcsin(nλ/d_T+sinθ₀)＝arcsin(n/Nα+sinθ₀)n＝±1,±2…(1.3)

对于接收通道的N点FFT，第n点的移相间隔为其对应的角度指向为

为不同发射周期发射单元的波束指向角，一般取θ_m＝mθ_n/M,(n＝1)，m为拍次序号。对应的接收移相间隔为图4为2发8收分集相控阵雷达的收发合成方向图，由图可见在一个周期的奇、偶拍上分别在8个方向上形成方向图，一共形成16个空间指向。

步骤(4)

按步骤(2)～(3)设计的分集相控阵雷达，若系统具有M个发射阵子，则经过M次的单拍信号处理后，其空间合成波束交叠约等于3dB。因此一个周期内合成M拍次的目标信息能够实现全空域覆盖。

合成M个拍次数据的时候需要根据角度交叠情况和目标幅度进行目标凝聚及融合。具体方法可根据天线方向特征建立查找表，根据目标在不同拍次相邻波位探测到的幅度确定目标的探测角。

设计某防撞雷达，要求方位分辨θ_Δ＝7.5°，距离分辨率R_Δ＝0.5m。设计雷达带宽B＝300M，采用2个发射通道，8个接收通道。雷达发射天线间隔d_Tx＝4λ接收通道间隔d_Rx＝0.5λ的。一个探测周期分为奇偶两拍，奇拍两发射天线同相发射，偶拍两发射天线相位差为π。

信号接收时，奇拍通过DBF在0°、14.5°、30°、48.6°、-14.5°、-30°、-48.6°共7个方向上形成方向图，偶拍在7.2°、22°、38.7°、61°、-7.2°、-22°、-38.7°、-61°共8个方向上形成方向图。合成奇偶拍数据后形成15个方位指向的方向图，探测范围覆盖±60°，方位间隔约为7.5°。

通过测试天线方向图建立目标方位插值表，通过查找表确定目标探测角度。如在相同距离和多普勒单元上，0°方向上和7.2°方向上检测到目标的幅度比β＝1.17(如图5所示)，则通过查目标方位插值表(幅度比和角度的对应关系)可知目标的探测方位为3.3°。

Claims (1)

1.一种基于毫米波避撞雷达的分集相控阵设计方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：接收阵列包含N个阵子单元，阵元间间距为d_R＝αλ，其中α为比例系数，λ为雷达波长；发射阵列包含M个阵子单元，阵元间间距为d_T＝Nαλ；

步骤2：计算发射栅瓣出现位置：θ_n＝arcsin(nλ/d_T+sinθ₀)＝arcsin(n/Nα+sinθ₀)，θ₀为雷达的空间指向；计算不同拍次的接收阵列移相相位间隔其中n表示第n个接收阵元，m表示第m个拍次，m∈[0,M-1]，θ_m＝mθ_n/M；在第m个拍次接收阵列按照进行移相使得接收波束指向发射波束的各栅瓣位置；

步骤3：根据M个拍次获得的子空域探测到的目标强度，在目标方位插值表中查询目标的估计角度信息；所述的目标方位插值表根据阵列天线远场测试获得的方向图，具体为幅度比和角度的对应关系。