CN108693511B - 时分复用mimo雷达的运动目标角度计算方法 - Google Patents

时分复用mimo雷达的运动目标角度计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种时分复用MIMO雷达的运动目标角度计算方法。技术方案是通过特定的发射天线阵元和接收天线阵元的时分复用时序，使得虚拟天线阵列按照第1阵元、第2阵元、第3阵元、第4阵元、…、第MN阵元的顺序获得每轮接收信号。对每轮虚拟天线阵列的接收信号进行下述处理：第一步是进行距离向处理，得到距离向信号；第二步是进行第一次数字波束形成处理，采用目标检测方法提取出目标所在的虚假波束阵列合成距离向信号，并计算目标的速度；第三步是对目标的距离向信号进行相位补偿；第四步是进行第二次数字波束形成处理，然后计算目标的正确角度。本发明无需设计冗余虚拟阵元，能够实现对低信噪比目标的角度计算。

Description

时分复用MIMO雷达的运动目标角度计算方法
技术领域
本发明属于雷达信号处理技术领域，涉及一种时分复用调频连续波MIMO(Multiple Input Multiple Output，多输入多输出)雷达的运动目标角度计算方法。
背景技术
MIMO雷达与单输入多输出雷达相比，可利用较少规模的天线阵列实现口径较大的虚拟天线阵列，从而提高雷达的角度分辨率。调频连续波雷达具有成本低、结构简单、体积小的特点，同时，能对目标的距离及速度进行精确测量，结合天线阵列的应用，可以实现对目标的角度测量。调频连续波MIMO雷达综合上述两种雷达的优点，利用结构更加简单的天线阵列实现更高的雷达角度分辨率。
时分复用调频连续波MIMO雷达[R.Feger,C.Wagner,S.Schuster,S.Scheiblhofer,H.Jager,A.Stelzer,“A 77-GHz FMCW MIMO Radar Based on an SiGeSingle-Chip Transceiver.”IEEE Transactions on Microwave Theory&Techniques57.5(2009):1020-1035.]是一种采用时分复用技术实现发射波形正交的调频连续波MIMO雷达，在该雷达中，通过特定的时分复用时序控制信号的发射与接收。但是，这种方法的缺点在于：虚拟天线阵列的接收信号的相位不仅由目标的角度决定，还与目标速度有关，通常情况下，目标运动引入的相位项是一个固定的常数，如果不对该相位项进行补偿，将会导致目标角度计算错误。
国内外机构开展了相关的时分复用MIMO雷达的运动目标角度计算方法研究，在运动目标角度计算的过程中，相位补偿是最关键的步骤，已经公开发表的相位补偿方法主要有以下两种：
1、通过冗余虚拟阵元的设计，提取目标运动引起的相位，进而对天线阵列进行相位补偿[C.M.Schmid,R.Feger,C.Pfeffer,A.Stelzer."Motion compensation andefficient array design for TDMA FMCW MIMO radar systems."European Conferenceon Antennas and Propagation IEEE,2012:1746-1750.]。这种方法可以恢复出目标的真实相位用于目标的角度计算，但是，冗余虚拟阵元的存在减小了虚拟天线阵列的有效口径，降低了雷达的角度分辨率。
2、利用单个天线的接收信号探测目标，并计算目标运动速度，从而计算目标运动引入的相位项，最后对目标回波信号进行相位补偿[Z.Dominik,and A.Ziroff."Phasemigration effects in moving target localization using switched MIMO arrays."european radar conference(2015):85-88.]。这种方法在求解目标运动速度的过程中，只利用了单个天线接收目标的回波信号，对于低信噪比目标，单个天线接收的目标回波信号能量较小甚至淹没在噪声里，此时，将无法探测到目标，因而无法进行后续的目标速度计算及相位补偿处理。
发明内容
本发明的目的是提供一种时分复用MIMO雷达的运动目标角度计算方法，应用于时分复用调频连续波MIMO雷达，在运动目标角度计算过程中，提出一种创新性的运动目标相位补偿方法，无需设计冗余虚拟阵元，能够实现对低信噪比目标的角度计算。
为了实现上述目的，本发明提供一种时分复用MIMO雷达的运动目标角度计算方法，应用于时分复用调频连续波MIMO雷达，其特征在于，设时分复用调频连续波MIMO雷达有M个发射天线阵元和N个接收天线阵元，其对应的虚拟天线阵列为均匀直线阵，并且有MN个天线阵元，按照空间的虚拟位置依次编号为第1阵元至第MN天线阵元，通过特定的发射天线阵元和接收天线阵元的时分复用时序，使得虚拟天线阵列按照第1阵元、第2阵元、第3阵元、第4阵元、…、第MN阵元的顺序获得每轮接收信号，共有MN个调频周期的接收信号。对每轮虚拟天线阵列的接收信号进行下述处理：第一步是进行距离向处理，得到距离向信号；第二步是对距离向信号进行第一次数字波束形成处理，得到多个波束的阵列合成距离向信号，采用目标检测方法提取出目标所在的虚假波束阵列合成距离向信号，并计算目标的速度；第三步是利用计算的速度构建相位补偿矢量，对目标的距离向信号进行相位补偿；第四步是对相位补偿后的目标距离向信号进行第二次数字波束形成处理，然后计算目标的正确角度。
本发明的有益效果：
本发明提出的时分复用MIMO雷达的运动目标角度计算方法，无需设计冗余虚拟阵元，在不降低雷达角度分辨率的情况下实现运动目标的相位补偿。同时，数字波束形成技术被应用了两次，第一次用于提高目标回波信号信噪比，提升雷达对低信噪比目标的探测能力，第二次用于计算目标角度。
附图说明
图1是本发明应用于时分复用调频连续波MIMO雷达的原理示意图；
图2是本发明应用于时分复用调频连续波MIMO雷达的天线阵列口径分布示意图；
图3是本发明应用于时分复用调频连续波MIMO雷达的等效虚拟天线阵列示意图；
图4是本发明应用于时分复用调频连续波MIMO雷达的时分复用时序示意图；
图5是对虚拟天线阵列的距离向信号进行第一次数字波束形成处理前后的仿真结果；
图6及图7是利用本发明得到的目标角度仿真结果；
图8是本发明的原理流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
图1是本发明应用于时分复用调频连续波MIMO雷达的(以下简称雷达)的原理示意图，如图所示，雷达的发射端包括了调频连续波信号产生模块、单通道发射模块、发射天线阵列射频开关模块及发射天线阵列，雷达的接收端包括了接收天线阵列、接收天线阵列射频开关模块、单通道接收模块及雷达信号处理模块，其中，发射天线阵列射频开关模块用于切换选通发射天线阵列的阵元，发射天线阵列的阵元个数为M，Tm表示第m个发射天线阵元，m＝1,2,…,M；接收天线阵列射频开关模块用于切换选通接收天线阵列的阵元，接收天线阵列的阵元个数为N，Rn表示第n个接收天线阵元，n＝1,2,…,N；单通道接收模块用于接收并采集接收天线阵列的信号，雷达信号处理模块用于处理虚拟天线阵列的信号，计算目标的距离、速度及角度。
图2是本发明应用于雷达的天线阵列口径分布示意图，以M＝4的发射天线阵列及N＝8的接收天线阵列为例，空心圆形表示发射天线阵列，空心方形表示接收天线阵列，8元接收天线阵列为阵元间距为dr的均匀直线阵列，4元发射天线阵列则由两组子阵组成。每个子阵的阵元数为
Figure BDA0001674000360000041
阵元间距为
Figure BDA0001674000360000042
这两组子阵分布在接收天线阵列两侧，左侧子阵的最后一个阵元与接收天线阵列的第一个阵元的间距为
Figure BDA0001674000360000043
右侧子阵的第一个阵元与接收天线阵列的最后一个阵元的间距也为dtr，满足这种口径分布的天线阵列可以等效为阵元间距为dt的M×N＝32元虚拟天线阵列，如图3所示。图3中按照阵元的排列顺序，对阵元进行编号，依次为第1阵元、第2阵元至第32阵元，编号相邻的阵元空间间距为dt。图3的虚拟天线阵列为均匀直线阵，可以利用图2所示的天线阵列实现，也可以利用其它口径分布方式的天线阵列实现。
本发明的雷达的时分复用时序如图4所示，为了得到虚拟天线阵列第1至第32阵元接收的信号，选择特定的时分复用时序为T1/R1、T2/R1、T1/R2、T2/R2、T1/R3、T2/R3、T1/R4、T2/R4、T1/R5、T2/R5、T1/R6、T2/R6、T1/R7、T2/R7、T1/R8、T2/R8、T3/R1、T4/R1、T3/R2、T4/R2、T3/R3、T4/R3、T3/R4、T4/R4、T3/R5、T4/R5、T3/R6、T4/R6、T3/R7、T4/R7、T3/R8、T4/R8，以此时分复用时序对发射天线阵列及接收天线阵列的阵元进行切换选通，得到虚拟天线阵列从第1至第32个阵元的接收信号，以上述时分复用时序作为一轮接收信号的时序循环接收目标的回波信号。T1/R1的组合表示发射天线阵列射频开关模块切换选通第1个发射天线阵元T1进行信号发射，同时接收天线阵列射频开关模块切换选通第1个接收天线阵元R1进行回波信号接收。其中，一次切换选通周期等于调频连续波信号的调频周期T，则一轮接收信号周期为32T。
假设虚拟天线阵列接收到的某一轮的信号Sorigin(i)是：
Sorigin(i)＝[s1(i) s2(i) L s32(i)]
其中，s1(i)＝[s1(1) s1(2) …s1(i) … s1(I)]H表示虚拟天线阵列的第1阵元接收到的1个调频周期信号，即切换选通T1/R1接收的1个调频周期信号，[ ]H表示转置，i＝1,2,…,I，I表示在一个切换选通周期T内的采样点数，以此类推，可以表示其余阵元接收的信号。利用快速傅里叶变化方法对该信号进行处理，得到距离为r的虚拟天线阵列的距离向信号Sorigin(r)，表示为：
Srange(r)＝[s1(r) s2(r) L s32(r)]
其中，r∈[0,R]，R表示雷达探测的最远距离。
对距离向信号Srange(r)进行第一次数字波束形成处理[Van Trees,H.OptimumArray Processing.New York:Wiley-Interscience,2002.]，得到多个波束的阵列合成距离向信号，在此过程中，目标运动引入的相位项将导致目标所在的波束产生偏移。但是采用本步骤可以使目标回波信号的信噪比得到提高，从而有利于后续的目标检测。以下将没有进行相位补偿处理的目标所在波束称为虚假波束。
利用现有的目标检测方法[Richards,M.A.Fundamentals of Radar SignalProcessing.New York:McGraw-Hill,2005.]对多个波束的阵列合成距离向信号进行检测，假设检测出K个目标，第k(k＝1,2,…,K)个目标所在的虚假波束阵列合成距离向信号
Figure BDA0001674000360000061
表示为：
Figure BDA0001674000360000062
其中：
Figure BDA0001674000360000063
Figure BDA0001674000360000064
表示第k个目标所在的虚假波束阵列加权复值矢量，β表示相位常数，
Figure BDA0001674000360000065
表示计算得到的第k个目标的虚假波束角度。利用现有的调频连续波信号处理方法[W.Volker."Range Doppler detection for automotive FMCW radars."europeanmicrowave conference(2007):166-169.]，对第k个目标所在的虚假波束的阵列合成距离向信号
Figure BDA0001674000360000066
进行处理，计算得到第k个目标的速度是
Figure BDA0001674000360000067
距离是
Figure BDA0001674000360000068
利用计算的目标速度构建相位补偿矢量，第k个目标的相位补偿矢量
Figure BDA0001674000360000069
表示为：
Figure BDA00016740003600000610
从距离向信号Srange(r)中提取出距离为
Figure BDA00016740003600000611
的行向量，即第k个目标对应的虚拟天线阵列的距离向信号
Figure BDA0001674000360000071
Figure BDA0001674000360000072
将第k个目标的相位补偿矢量
Figure BDA0001674000360000073
与第k个目标对应的距离向信号
Figure BDA0001674000360000074
进行元素对应相乘处理，得到的第k个目标的相位补偿后的虚拟天线阵列的距离向信号
Figure BDA0001674000360000075
即：
Figure BDA0001674000360000076
对距离向信号
Figure BDA0001674000360000077
进行第二次数字波束形成处理，得到第k个目标的归一化方向图，归一化方向图峰值所在的角度即为第k个目标的正确角度，k＝1,2,…,K。
图5至图7是利用本发明的雷达的运动目标角度计算方法得到的仿真结果，仿真设定的雷达参数是：调频周期T＝50us；采样点数I＝1000；发射天线阵列阵元数M＝4、接收天线阵列阵元数N＝8；雷达探测的最远距离R＝1500m。仿真设定的目标参数是：目标个数K＝2；2个目标的距离、速度、角度分别是(100m，-10m/s，0°)、(130m，17m/s，0°)；2个目标的回波信号信噪比都是0dB。
图5是对切换天线阵列的距离向信号进行第一次数字波束形成处理前后的仿真结果，横坐标表示距离向距离，纵坐标表示归一化能量，点线表示未进行数字波束形成处理前的阵元1接收信号的距离向仿真结果，实线、虚线分别表示进行数字波束形成处理后得到的目标1、目标2所在虚假波束的阵列合成距离向仿真结果。未进行数字波束形成处理前的距离向仿真结果显示了2个目标均淹没在噪声中，无法获取目标的距离、速度信息。但是，进行数字波束形成处理后，观察目标1、目标2所在虚假波束的阵列合成距离向仿真结果，可以发现2个目标的信噪比都得到了提高。计算得到2个目标的距离、速度分别是(100.04m，-9.9m/s)、(130.05m，16.9m/s)。仿真计算得到的2个目标的距离、速度与设定的目标参数存在微小差别，这是由于噪声引入的误差。
图6、图7分别是利用本发明的时分复用MIMO雷达的运动目标角度计算方法得到的目标1、目标2的角度仿真结果；横坐标表示角度，纵坐标表示归一化方向图，虚线表示未采用本发明得到的目标所在距离向信号的角度仿真结果，实线表示采用本发明得到的目标所在距离向信号的角度仿真结果。可以观察到，未采用本发明时，计算得到目标1、目标2的虚假波束角度分别是-3.8°、6.3°，采用本发明后，计算得到目标1、目标2的角度都是0°，说明了本发明计算目标角度结果的精确性。
图5至图7的仿真结果验证了本发明提出的雷达的运动目标角度计算方法的正确性，在无需设计冗余阵元的情况下实现了对低信噪比目标的角度计算。
此外，下面通过理论分析进行说明经过两次数字波束形成处理后，更加有利于计算目标的角度。
假设一个目标的运动速度为v，角度为θt，阵元间距为dt，调频周期为T。采用本发明的时分复用时序进行信号的发射和接收时，虚拟天线阵列相邻阵元间的相位差为：
ψmoving＝βdtsinθ-β(dtsinθt+2vT)
其中，
Figure BDA0001674000360000081
为空间方位角度，最后一项β2vT为目标运动引入的相位项。
根据阵列天线方向图计算公式[Weeks,W.L.Theory and Application ofAntenna Arrays by M.T.Ma.Theory and application of antenna arrays/.Wiley,1974:590.]计算阵列天线方向图Farray为：
Figure BDA0001674000360000082
可以得到阵列天线方向图的增益为10log10MN，该增益不会随目标角度而变化。因此，经过第一次数字波束形成处理后，目标回波信号的信噪比可以得到提高，信噪比提高后有利于更加精确地计算目标的速度。计算出目标的速度后对目标的距离向信号进行相位补偿。再进行第二次数字波束形成处理后，有利于进一步提高增益，从而便于计算归一化方向图的峰值，峰值所在的角度即目标的角度。图8是本发明的原理流程示意图。
以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。

Claims (1)

1.一种时分复用MIMO雷达的运动目标角度计算方法，MIMO是指多输入多输出，其特征在于，设时分复用调频连续波MIMO雷达有M个发射天线阵元和N个接收天线阵元，其对应的虚拟天线阵列为均匀直线阵，并且有MN个天线阵元，按照空间的虚拟位置依次编号为第1阵元至第MN天线阵元，通过特定的发射天线阵元和接收天线阵元的时分复用时序，使得虚拟天线阵列按照第1阵元、第2阵元、第3阵元、第4阵元、…、第MN阵元的顺序获得每轮接收信号；对每轮虚拟天线阵列的接收信号进行下述处理：第一步是进行距离向处理，得到距离向信号；第二步是对距离向信号进行第一次数字波束形成处理，得到多个波束的阵列合成距离向信号，采用目标检测方法提取出目标所在的虚假波束阵列合成距离向信号，并计算目标的速度；第三步是利用计算的速度构建相位补偿矢量，对目标的距离向信号进行相位补偿；第四步是对相位补偿后的目标距离向信号进行第二次数字波束形成处理，然后计算目标的正确角度。
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