CN108693526B - 用于mimo雷达的运动目标相位补偿方法 - Google Patents

用于mimo雷达的运动目标相位补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于MIMO雷达的运动目标相位补偿方法。技术方案是：设时分复用调频连续波MIMO雷达对应的虚拟天线阵列为有MN个天线阵元，虚拟天线阵列按照特定的时分复用时序获得每轮接收信号，即：首先，虚拟天线阵列的第1阵元接收信号；然后，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阵元的顺序接收信号。在信号处理过程中，利用虚拟天线阵列第1阵元的接收信号提取目标运动引入的相位项矢量，构建相位补偿矩阵对虚拟天线阵列的接收信号进行相位校正。本发明无需计算目标速度，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了运动目标的相位修正。

Description

用于MIMO雷达的运动目标相位补偿方法
技术领域
本发明属于雷达信号处理技术领域，涉及一种用于MIMO(Multiple InputMultiple Output，多输入多输出)雷达的运动目标相位补偿方法。
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调频连续波MIMO雷达的运动目标相位修正方法研究，主要有以下几种方法：
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，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.]。这种方法的缺点在于：需要精确计算目标速度，否则将会导致目标回波信号的相位修正结果不准确。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于MIMO雷达的运动目标相位补偿方法，用于时分复用调频连续波MIMO雷达，校正虚拟天线阵列的接收信号相位，能够避免现有技术中存在的问题，在此过程中，不需要设计冗余虚拟阵元，也不需要计算目标的速度。
为了实现上述目的，本发明提供一种用于MIMO雷达的运动目标相位补偿方法，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特定的时分复用时序获得每轮接收信号，即：首先，虚拟天线阵列的第1阵元接收信号，获得1个调频周期的接收信号；然后，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阵元的顺序接收信号，获得MN个调频周期的接收信号。则一共获得MN+1个调频周期的接收信号。
在信号处理过程中，利用虚拟天线阵列第1阵元的接收信号提取目标运动引入的相位项矢量，构建相位补偿矩阵对虚拟天线阵列的接收信号进行相位校正。
本发明的有益效果：
本发明提出的一种用于MIMO雷达的运动目标相位补偿方法，通过本发明的时分复用时序，对发射天线阵列及接收天线阵列的阵元进行MN+1次切换，利用虚拟天线阵列第1阵元的接收信号提取目标运动引入的相位项矢量，并构建相位补偿矩阵进行运动目标相位补偿。本发明无需计算目标速度，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了运动目标的相位修正。
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是利用本发明得到的虚拟天线阵列相位仿真结果；
图6是利用本发明得到的结果计算目标角度的仿真结果；
图7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、相位补偿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，相位补偿模块用于补偿虚拟天线阵列的接收信号，雷达信号处理模块用于本发明之后的信号处理，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 BDA0001673623920000041
阵元间距为
Figure BDA0001673623920000042
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 BDA0001673623920000043
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，如发射天线阵列在左、接收天线阵列在右等方式。
本发明的雷达的时分复用时序如图4所示，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特定的时分复用时序接收信号，即：首先，虚拟天线阵列的第1阵元接收信号，获得1个调频周期的接收信号；然后，虚拟天线阵列从第1至第32阵元依次接收信号，获得32个调频周期的接收信号。为了得到上述虚拟天线阵列的接收信号，选择特定的时分复用时序为T1/R1、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33T。不同的天线阵列对应不同的发射/接收组合，但只要使得虚拟天线阵利按照特定的时分复用时序获得每轮接收信号即可。
依据本发明的时分复用时序，假设在某一轮接收信号周期内雷达接收到的时序信号S(i)是：
S(i)＝[s1(i) sar_1(i) sar_2(i) L sar_32(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。sar_1(i)、sar_2(i)、L、sar_32(i)分别表示由虚拟天线阵列的第1阵元至第32阵元接收的32个调频周期的信号，其中，sar_1(i)＝[sar_1(1)sar_1(2) … sar_1(i) … sar_1(I)]H表示虚拟天线阵列的第1阵元接收的信号，以此类推，可以表示虚拟天线阵列的其余阵元接收的信号。为了表示方便，定义Sarray(i)＝[sar_1(i)sar_2(i) L sar_32(i)]。利用快速傅里叶变换方法对s1(i)、Sarray(i)进行处理，得到距离向的距离为r的距离向信号s1(r)、Sarray(r)，其中，Sarray(r)表示为：
Sarray(r)＝[sar_1(r) sar_2(r) L sar_32(r)]
其中，r∈[0,R]，R表示雷达探测的最远距离，提取距离向信号s1(r)、Sarray(r)的相位
Figure BDA0001673623920000061
ψarray(r)，其中，ψarray(r)表示为：
Figure BDA0001673623920000062
目标运动引入的相位项矢量可以通过下式进行提取：
Figure BDA0001673623920000063
利用计算的目标运动引入的相位项矢量
Figure BDA0001673623920000064
构建相位补偿矩阵ψre(r)，表示为：
Figure BDA0001673623920000065
利用相位补偿矩阵ψre(r)对距离向信号Sarray(r)进行校正，得到校正后的距离向信号Sre(r)表示为：
Figure BDA0001673623920000066
其中，“.×”表示矩阵对应元素相乘。
利用逆傅里叶变换方法对校正后的距离向信号Sre(r)进行处理，得到校正后的虚拟天线阵列信号Sre(i)，表示为：
Sre(i)＝[sre_1(i) sre_2(i) L sre_32(i)]
采用本发明提出的雷达的运动目标相位补偿方法后，利用现有的数字波束形成方法[Van Trees,H.Optimum Array Processing.New York:Wiley-Interscience,2002.]对校正后的虚拟天线阵列信号Sre(t)进行处理，即可正确计算目标的角度。
下面结合仿真实施例进行具体说明。
仿真设定的雷达参数是：调频周期T＝0.1ms；采样点数I＝2000；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＝3000m。仿真设定一个点目标，目标所在角度是0°，速度是-8m/s。
图5是利用本发明的雷达的运动目标相位补偿方法得到的相位仿真结果，横坐标表示阵元，纵坐标表示归一化相位，空心圆点表示调频连续波MIMO雷达的运动目标相位理论值，虚线、实线分别表示雷达运动目标相位修正前、相位修正后的相位值。观察可知，调频连续波MIMO雷达的运动目标相位理论值为0°，未采用本发明的方法进行相位修正时，雷达的运动目标的相位随着阵元线性变化，阵元之间的相位差是固定值，即目标运动引入的相位项。采用本发明的方法进行相位修正后，雷达的运动目标相位与理论值重合。说明了本发明的相位修正结果的精确性。
图6是利用本发明得到的结果计算目标角度的仿真结果，横坐标表示角度，纵坐标表示归一化方向图，虚线、实线分别表示雷达的运动目标相位补偿前、相位补偿后的目标角度仿真结果。可以观察到，未采用本发明的方法进行相位补偿时，计算得到的目标波束角度是-6°，采用本发明的方法进行相位补偿后，利用相位补偿后的虚拟天线阵列的接收信号计算得到的目标波束角度是0°，说明了虚拟天线阵列的接收信号经过本发明的方法进行相位补偿后，可以用于精确计算目标角度。
此外，本发明进行目标运动引入的相位项提取的原理值得进一步说明。
仍然以M＝4的发射天线阵列及N＝8的接收天线阵列为例进行说明，假设一个目标的角度为θt，速度为v。采用本发明的时分复用时序进行每轮信号的接收时，每个虚拟阵元接收信号的相位具体分析如下：首先，虚拟天线阵列的第1阵元接收1个调频周期的信号，此时，第1阵元接收信号的相位为
Figure BDA0001673623920000081
为由目标距离决定的回波信号的固有相位；然后，对发射天线阵列及接收天线阵列进行32次切换选通，得到虚拟天线阵列的第1至第32阵元的接收信号，其相位
Figure BDA0001673623920000082
为：
Figure BDA0001673623920000083
其中，
Figure BDA0001673623920000084
为目标角度决定的虚拟天线阵列相邻阵元相位差，
Figure BDA0001673623920000085
为目标运动引入的相位项。
对第1虚拟阵元的两个调频周期的接收信号，即
Figure BDA0001673623920000086
与相位
Figure BDA0001673623920000087
的第1个元素
Figure BDA0001673623920000088
进行处理，可得到如下结果：
Figure BDA0001673623920000089
基于上述原理，本发明可利用第1虚拟阵元的两个调频周期的接收信号提取目标运动引入的相位项
Figure BDA00016736239200000810
从上述原理分析中可以看出，本发明通过利用虚拟天线阵列的第1阵元的两个调频周期的接收信号，巧妙地提取目标运动引入的相位项，而且计算过程简单易行。图7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)

1.一种用于MIMO雷达的运动目标相位修正方法，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，其中，接收天线阵列为阵元间距为dr的均匀直线阵列，发射天线阵列则由两组子阵组成；每个子阵的阵元数为
Figure FDA0003016620420000011
阵元间距为
Figure FDA0003016620420000012
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 FDA0003016620420000013
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；上述分布的天线阵列等效为阵元间距为dt的M×N元虚拟天线阵列，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特定的时分复用时序获得每轮接收信号，即：首先，虚拟天线阵列的第1阵元接收信号，获得1个调频周期的接收信号；然后，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阵元的顺序接收信号，获得MN个调频周期的接收信号；
为了得到上述虚拟天线阵列的接收信号，选择特定的时分复用时序为T1/R1、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；
在信号处理过程中，利用虚拟天线阵列第1阵元的接收信号提取目标运动引入的相位项矢量，构建相位补偿矩阵对虚拟天线阵列的接收信号进行相位校正。
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