CN108761415A - 基于特定切换选通时序的雷达运动目标相位恢复的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于特定切换选通时序的雷达运动目标相位恢复的方法，应用于单发射多接收的单通道调频连续波雷达。技术方案是；接收天线阵列的阵元切换选通时序是第1、4、2、3、5、6、7、8、9、…、N‑1、N阵元，N表示接收天线阵列的总阵元数，以上述切换选通时序循环接收目标的回波信号。在信号处理过程中，对前4个阵元接收信号的相位进行处理，提取目标运动引入的相位项，构建相位恢复矩阵对接收天线阵列的接收信号进行相位恢复。本发明无需计算目标速度，适用于单发射多接收的单通道调频连续波雷达。

Description

基于特定切换选通时序的雷达运动目标相位恢复的方法
技术领域
本发明属于雷达信号处理技术领域，涉及一种基于特定切换选通时序的雷达运动目标相位恢复的方法。
背景技术
目前，雷达已经广泛应用于不同行业领域，其中，调频连续波雷达因具有结构简单、成本低的优点而受到了学术界及工业界的关注，现有的调频连续波雷达通常是多通道调频连续波雷达，即每个天线都需要一个单独的接收通道接收信号，随着接收天线阵列规模的增大，系统的体积和成本也会随之增加。为了减小多通道调频连续波雷达的成本及其系统复杂度，学者提出一种单通道调频连续波雷达[L.Yang and F.Zhenghe,“Switchantenna array with single receiving channel for FMCW radar,”inProc.Int.Symp.Antennas Propagation,Fukuoka,Japan,2000,pp.1629–1632.]，在该雷达中，接收天线阵列共用一个接收通道，通过射频开关对阵列天线进行切换选通，实现空间信号的采集。但是，这种单通道调频连续波雷达的缺点在于：接收天线阵列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，在计算运动目标角度的过程中，如果不对运动目标的回波信号进行相位恢复，将会导致目标角度计算错误。
国内外机构开展了相关的基于特定切换选通时序的雷达运动目标相位恢复的方法研究，主要有以下几种方法：
1、利用单个天线的接收信号探测目标，并计算目标速度，从而计算目标运动引入的相位项，最后对接收天线阵列接收的目标回波信号进行相位恢复[Z.Dominik,andA.Ziroff."Phase migration effects in moving target localization usingswitched 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恢复结果不准确。
2、通过设计重叠阵元，利用重叠阵元接收的目标回波信号计算目标运动引入的相位项，从而对接收天线阵列接收的目标回波信号进行相位恢复[C.M.Schmid,R.Feger,C.Pfeffer,A.Stelzer."Motion compensation and efficient array design for TDMAFMCW MIMO radar systems."European Conference on Antennas and PropagationIEEE,2012:1746-1750.]。但是，这种方法只适用于多输入多输出接收天线阵列的调频连续波雷达，无法应用于单发射多接收的单通道调频连续波雷达。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于特定切换选通时序的雷达运动目标相位恢复的方法，恢复接收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，不需要计算目标的速度，同时，该方法适用于单发射多接收的单通道调频连续波雷达。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于特定切换选通时序的雷达运动目标相位恢复的方法，应用于单发射多接收的单通道调频连续波雷达，其特征在于，接收天线阵列的阵元切换选通时序是第1、4、2、3、5、6、7、8、9、…、N-1、N阵元，N表示接收天线阵列的总阵元数，以上述切换选通时序循环接收目标的回波信号。在信号处理过程中，对前4个阵元接收信号的相位进行处理，提取目标运动引入的相位项，构建相位恢复矩阵对接收天线阵列的接收信号进行相位恢复。
本发明的有益效果：
本发明提出的一种基于特定切换选通时序的雷达运动目标相位恢复的方法，通过设定的切换选通时序，对接收天线阵列进行N次切换选通，利用前4个阵元的接收信号进行处理，提取目标运动引入的相位项。本发明无需计算目标速度，适用于单发射多接收的单通道调频连续波雷达。
附图说明
图1是本发明应用于单通道调频连续波雷达的原理示意图；
图2是本发明的接收天线阵列的切换选通时序示意图；
图3是利用本发明得到的接收天线阵列相位仿真结果；
图4是利用本发明得到的结果计算目标角度的仿真结果；
图5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是本发明应用于单通道调频连续波雷达(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及发射天线，雷达的接收端包括了接收天线阵列、射频开关模块、单通道接收模块、相位修正模块及雷达信号处理模块，其中，接收天线阵列由一个N元均匀直线接收天线阵列，射频开关模块用于控制接收天线阵列的切换选通。图2是本发明的接收天线阵列切换选通时序示意图，接收天线阵列的切换选通时序是1、4、2、3、5、6、7、8、…、N-1、N，以此作为一轮接收信号的切换选通时序循环接收目标的回波信号。其中，阵元间的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NT。射频开关模块用于控制和实现接收天线阵列的切换选通；单通道接收模块用于接收并采集接收天线阵列的信号；相位恢复模块用于恢复接收天线阵列的接收信号；雷达信号处理模块用于计算目标的距离、速度及角度。
依据本发明的切换选通时序，假设在某一轮接收信号周期内雷达接收到的信号S(i)是：
S(i)＝[s1(i) s4(i) s2(i) s3(i) s5(i) s6(i) L sN(i)]
其中，s1(i)＝[s1(1) s1(2) … s1(i) … s1(I)]H表示切换选通接收天线阵列的第1阵元时，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。
将接收的信号S(i)按照从第1至第N阵元的顺序重新排列，获得信号Sorigin(i)，表示为：
Sorigin(i)＝[s1(i) s2(i) s3(i) s4(i) s5(i) s6(i) L sN(i)]
利用快速傅里叶变换方法对Sorigin(i)进行处理，得到距离向的距离为r的距离向信号Sorigin(r)，表示为：
Srange(r)＝[s1(r) s2(r) s3(r) s4(r) s5(r) s6(r) L sN(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Sorigin(r)的相位ψrange(r)表示为：
目标运动引入的相位项矢量可以通过下式进行提取：
利用计算的目标运动引入的相位项矢量构建相位恢复矩阵ψre(r)，表示为：
利用相位恢复矩阵ψre(r)对距离向信号Sorigin(r)进行恢复，得到恢复后的距离向信号Sre(r)表示为：
其中，“.×”表示矩阵对应元素相乘。
利用逆傅里叶变换方法对恢复后的距离向信号Sre(r)进行处理，得到恢复后的接收天线阵列信号Sre(i)，表示为：
Sre(i)＝[sre_1(i) sre_2(i) sre_3(i) sre_4(i) sre_5(i) sre_6(i) L sre_N(i)]
采用本发明提出的雷达的运动目标相位恢复方法后，利用现有的数字波束形成方法[Van Trees,H.Optimum Array Processing.New York:Wiley-Interscience,2002.]对恢复后的接收天线阵列信号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。
图3、图4是利用本发明的雷达的运动目标相位恢复方法得到的仿真结果，仿真设定的雷达参数是：调频周期T＝0.1ms；采样点数I＝2000；接收天线阵列规模是N＝8的均匀直线阵列；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-12m/s。
图3是利用本发明的雷达运动目标相位恢复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，空心圆点表示多通道调频连续波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恢复前、相位恢复后的相位值。观察可知，多通道调频连续波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恢复时，观察到雷达的运动目标相位产生畸变。采用本发明的方法进行相位恢复后，雷达的运动目标相位与理论值重合。说明了本发明的相位恢复结果的精确性。
图4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恢复前、相位恢复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恢复时，计算得到的目标波束角度是-9°，采用本发明的方法进行相位恢复后，利用相位恢复后的接收天线阵列的接收信号计算得到的目标波束角度是0°，说明了接收天线阵列的接收信号经过本发明的方法进行相位恢复后，可以用于精确计算目标角度。
此外，本发明基于特定切换选通时序进行目标运动引入的相位项提取的原理值得进一步说明。因为，本发明通过特定的切换选通时序，巧妙地计算出目标运动引入的相位项，而且计算过程简单易行。
假设一个目标的运动速度为v，角度为θt，采用本发明的切换选通时序，第1、4、2、3、5、6、…、N阵元接收的运动目标回波信号相位依次为：
其中，为由目标距离决定的回波信号的固有相位，为目标角度决定的相邻阵元相位差，为目标运动引入的相位项。
在进行数字波束形成处理时，应该按照从第1至第N阵元的顺序重新排列，即相位变更为：
从上述相位的表达式中，利用相位的前3个元素进行运算，可以得到如下的结果，即：
基于上述原理，本发明利用公式即可提取目标运动引入的相位项图5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)

1.一种基于特定切换选通时序的雷达运动目标相位恢复的方法，应用于单发射多接收的单通道调频连续波雷达，其特征在于，接收天线阵列的阵元切换选通时序是第1、4、2、3、5、6、7、8、9、…、N-1、N阵元，N表示接收天线阵列的总阵元数，以上述切换选通时序循环接收目标的回波信号；在信号处理过程中，对前4个阵元接收信号的相位进行处理，提取目标运动引入的相位项，构建相位恢复矩阵对接收天线阵列的接收信号进行相位恢复。
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