CN109343045B - 一种应用于车载连续波雷达的单元级数字对消方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种车载连续波雷达的单元级数字对消方法，通过依次对发射单元和接收单元的耦合测量得到耦合传递矩阵，针对车载连续波雷达主要针对车辆前方道路目标监视的需求，主要集中在法线方向，在基本确定波束为法线方向的条件下，依据约束条件确定发射幅相权向量；然后根据耦合传递矩阵和发射幅相权向量，依据约束条件计算接收幅相权向量；最后将发射权系数和接收权系数作为连续波雷达的加权系数，用于形成雷达的发射和接收波束。本发明通过单元级数字化相消技术降低发射天线与接收天线之间的直达波影响。

Description

一种应用于车载连续波雷达的单元级数字对消方法
技术领域
本发明涉及电子工程系统，具体涉及一种应用于车载连续波雷达的单元级数字对消方法。
背景技术
随着无人驾驶等级不断提高，所需要的传感器种类和数量也在不断的增加。在高等级无人驾驶中，车载毫米波雷达作为一种重要的传感器设备，对雨雾有较好的穿透探测能力，适用于各种复杂的天气环境，逐渐成为高等级无人驾驶车辆的基本配置之一。目前无人车毫米波雷达采用的是连续波工作体制，即雷达发射的同时也在接收回波信号。而且车载毫米波雷达主要探测车辆正前方的目标，波束指向为法线方向(即垂直于雷达阵面)基本可以满足对道路上目标探测的需求。虽然车载毫米波雷达发射功率较低，发射阵列和接收天线之间有一定的空间隔离度，但从发射天线空间辐射过来的直达波信号对目标回波的检测还是有一定的影响。在开阔高速公路条件下，探测对象主要是在车道中行驶的车辆，目标RCS较大，反射回波强，易于检测。但是随着无人驾驶的应用不断深入，所面临的环境越来越复杂，对野外环境下的弱小目标的检测要求越来越高。较低的接收噪声基底是实现小目标检测的重要条件，因此需要利用数字对消技术降低直达波对弱小目标检测的影响。
传统的射频相消技术是在电子设备的接收链路和天线阵面上，针对平台上的其他同频段种类的辐射源干扰进行相消处理，例如在同时实施电子干扰和通讯的过程中，为了避免电子干扰的直达波对通信接收设备造成影响，利用已知的干扰发射信号对通信接收设备收到的直达波干扰信号进行对消处理。该方法是一种被动的对消方法，并且要求被对消处理的干扰信号和留下来的通信信号的具有较大的差异。然而，连续波雷达的发射信号与回波信号具有基本类似的信号特征，传统的射频相消技术不能应用在连续波雷达上。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于单元级数字化的直达波对消方法，解决无人驾驶系统中雷达发射天线辐射的直达波信号被接收天线接收，影响弱小目标检测的问题。由于车载毫米波雷达采用了低功率发射技术，因此幅度和相位信息均可用来作为加权系数。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种车载连续波雷达的单元级数字对消方法，适用于同一个平面上收发天线单元空间分置的情况，通过测量天线单元之间的互耦系数，进行幅度和相位加权后叠加到发射和接收天线单元上，从数字域实现发射和接收单元之间的直达波对消，具体包括如下步骤：
步骤1、发射幅相权值求解：通过发射和接收阵列单元级的耦合得到耦合传递矩阵，计算发射幅相权向量；
步骤2、接收幅相权值求解：根据步骤1中得到的耦合传递矩阵和发射幅相权向量，计算接收幅相权向量；
步骤3、波束形成：将发射幅相权向量和接收幅相权向量作为连续波雷达的加权系数，用于形成雷达的发射和接收波束。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明通过满足一定约束条件下的发射天线和接收天线加权向量的计算，使得在接收天线口面上耦合过来的雷达发射信号最弱，在接收天线源头上抑制了直达波干扰信号，避免直达波干扰信号进入雷达接收机；2)本发明通过发射天线的加权，使得发射天线单元耦合到接收天线单元能量最小，即从发射天线源头上减弱了发射对接收的影响；3)针对采用低功率发射技术，本发明采用幅度和相位双重参数加权，进一步提升对消能力。
附图说明
图1是本发明基于连续波雷达的单元级数字对消方法的流程图。
图2是本发明连续波阵列雷达收发分置的基本形态图。
图3是本发明发射和接收加权系数计算示例图。
图4是本发明对收发分置天线的单元级对消处理原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明方案。
如图1所示，一种车载连续波雷达的单元级数字对消方法，适用于同一个平面上收发天线单元空间分置的情况，通过测量天线单元之间的互耦系数，进行幅度和相位加权后叠加到发射和接收天线单元上，从数字域实现发射和接收单元之间的直达波对消，具体包括如下步骤：
步骤1、发射幅相权值求解：通过发射和接收阵列单元级的耦合得到耦合传递矩阵，计算发射幅相权向量；
步骤2、接收幅相权值求解：根据步骤1中得到的耦合传递矩阵和发射幅相权向量，计算接收幅相权向量；
步骤3、波束形成：将发射幅相权向量和接收幅相权向量作为连续波雷达的加权系数，用于形成雷达的发射和接收波束。
进一步的，步骤1通过发射和接收阵列单元级的耦合得到耦合传递矩阵，在满足在接收天线单元位置收到直达波能量最小，且在发射天线法线方向能量最大的前提下，计算发射幅相权向量，具体为：
将雷达的发射波束指向固定为法线方向，利用各发射单元发射相同的时域信号s(t)，并通过选通天线单元实现发射和接收阵列单元级耦合确定耦合传递矩阵Γ，假设发射单元数为N，接收单元数为M，当选择发射单元1时，依次测试发射单元1和接收单元1、2、…、M之间的耦合传递值，测试结果记录为τ11，τ12，…，τ1M；依次选择发射单元2、3、…、N进行测试，以此类推，得到耦合传递矩阵Γ；
通过如下两个约束条件确定发射幅相权向量wt：
(1)要在接收天线单元收到的直达波信号最小，即wt需要满足：
Figure GDA0003984078440000034
(2)需要在法线方向发射增益最大，假设采用归一化发射信号，即|s(t)|＝1，波束指向角为θ＝π/2，则wt需要满足：
s(t)|θ＝π/2*wt＝max (2)
通过联合公式(1)和(2)即可估算出发射幅相权向量wt。
更进一步的，发射单元数大于接收单元数。
更进一步的，通过迭代搜索寻找满足条件的发射幅相权向量。
进一步的，步骤2根据耦合传递矩阵和发射幅相权向量，在满足接收天线的波束零点对准发射天线，同时满足在接收天线法线方向接收增益最大的前提下，计算接收幅相权向量，所述接收幅相权向量需要满足如下两个约束条件：
(1)使得接收波束的零点对准发射单元
设接收幅相权向量为
Figure GDA0003984078440000031
发射孔径的自干扰信号在接收孔径端波束合成后输出为/>
Figure GDA0003984078440000032
由于步骤1已经确定的耦合传递矩阵Γ、发射幅相权向量wt，为了使得接收波束的零点对准发射单元最小，则wr需要满足：
Figure GDA0003984078440000033
(2)接收天线对目标增益最大
设对于远场角度为π/2的目标，各接收天线单元与其之间的空间传递系数为Gr＝ar(θ)Twr＝wr1ar1(θ)+wr2ar2(θ)+…+wriari(θ)+…+wrMarM(θ)，式中ar(θ)表示接收回波信号，ari(θ)第i接收阵元的接收回波信号，wri第i接收阵元幅相加权系数，为使得接收天线对目标增益最大，需要实现同相叠加，即接收幅相权值与目标“共轭匹配”，令Gr＝1，则wr需要满足
ar(θ)T|θ＝π/2*wr＝max (4)
通过联合公式(3)和(4)即可估算出接收幅相权向量wr。
更进一步的，通过迭代搜索寻找满足条件的接收幅相权向量。
实施例1
为了验证本发明方法的有效性，进行如下实验。
在无人驾驶中，对前方车辆进行监视的雷达一般安装在车辆前部，其波束一般固定在阵列的法线方向及其附近，用于对车辆前方道路上的目标探测和跟踪。由于车载毫米波雷达采用连续波的工作方式，雷达的发射天线和接收天线分置在雷达射频模块的空间两个区域，一般是左右分置。为了表征本发明中的方法，假设发射天线和接收天线形式按照图2所示，发射天线单元数目N＝6，接收天线单元数目M＝4，车载连续波雷达的单元级数字对消方法步骤如下：
步骤1、测试发射天线单元与接收天线单元的耦合传递矩阵
步骤1.1、如图3所示，通过选通开关，当选通发射天线单元1时，依次选通接收天线单元1，2，…,M，分别记录发射天线单元1的发射信号的幅度和相位，记为
Figure GDA0003984078440000041
接收天线单元1的幅度和相位，记为/>
Figure GDA0003984078440000042
接收天线单元2的幅度和相位/>
Figure GDA0003984078440000043
依次类推，一直到接收天线单元M，记为/>
Figure GDA0003984078440000044
计算得到接收天线单元1，2，…,M与发射天线单元1的耦合系数Γ11,Γ12,…,Γ1M。
步骤1.2、依次选通发射天线单元2，依次选通接收天线1，2，…,M,重复上述计算，得到耦合系数Γ21,Γ22,Γ23,…,Γ2M。
步骤1.3、依次选通发射天线单元3，4，…,N，依次得到耦合系数向量，组成耦传递矩阵Γ。上述案例中，N＝6，M＝4，即耦合传递矩阵为6*4的矩阵。
步骤2、计算发射天线单元的幅度和相位权向量
在给定耦合传递矩阵的前提下，在发射天线阵列上假定初始化幅度和相位加权向量，通过调整幅度和相位加权向量值，寻找满足在法线收到的信号能量最强，同时满足在经过耦合系数矩阵之后，在接收天线收到的信号能量最小的发射幅相权向量。本实施例设定最小幅度和相位加权步进进行寻优，例如设定幅度范围从0.1-10，步进值为0.1；相位范围从0-359°，步进值为1°；通过迭代搜索寻找满足以上两个约束条件的发射幅相权向量。
步骤3、计算接收天线单元的幅度和相位加权向量
在给定耦合传递矩阵和发射幅相权向量的前提下，设定初始化接收天线的加权向量，通过调整幅度和相位加权向量值，寻找满足在对准发射天线方向的能量最小，同时在在法线方向处的增益最大的接收幅相权向量。本实施例设定最小幅度加权步进进行寻优，例如设定幅度范围从0.1-10，步进值为0.1；相位范围从0-359°，步进值为1°；通过迭代搜索寻找满足以上两个约束条件的接收幅相权向量。
步骤4、将发射权向量和接收权向量作为连续波雷达的加权系数，用于形成雷达的发射和接收波束。本发明采用幅度和相位双重参数加权，进一步提升了对消能力。

Claims (6)

1.一种车载连续波雷达的单元级数字对消方法，其特征在于，适用于同一个平面上收发天线单元空间分置的情况，通过测量收发天线单元之间的互耦系数，进行幅度和相位加权后叠加到发射和接收天线单元上，从数字域实现发射和接收单元之间的直达波对消，具体包括如下步骤：
步骤1、发射幅相权值求解：通过发射和接收阵列单元级的耦合得到耦合传递矩阵，计算发射幅相权向量；
步骤2、接收幅相权值求解：根据步骤1中得到的耦合传递矩阵和发射幅相权向量，计算接收幅相权向量；
步骤3、波束形成：将发射幅相权向量和接收幅相权向量作为连续波雷达的加权系数，用于形成雷达的发射和接收波束。
2.根据权利要求1所述的车载连续波雷达的单元级数字对消方法，其特征在于，步骤1通过发射和接收阵列单元级的耦合得到耦合传递矩阵，在满足在接收天线单元位置收到直达波能量最小，且在发射天线法线方向能量最大的前提下，计算发射幅相权向量，具体为：
将雷达的发射波束指向固定为法线方向，利用各发射单元发射相同的时域信号s(t)，并通过选通天线单元实现发射和接收阵列单元级耦合确定耦合传递矩阵Γ，假设发射单元数为N，接收单元数为M，当选择发射单元1时，依次测试发射单元1和接收单元1、2、…、M之间的耦合传递值，测试结果记录为τ11，τ12，…，τ1M；依次选择发射单元2、3、…、N进行测试，以此类推，得到耦合传递矩阵Γ；
通过如下两个约束条件确定发射幅相权向量wt：
(1)要在接收天线单元收到的直达波信号最小，即wt需要满足：
wt·Γ＝min (1)
(2)需要在法线方向发射增益最大，假设采用归一化发射信号，即|s(t)|＝1，波束指向角为θ＝π/2，则wt需要满足：
s(t)|θ＝π/2*wt＝max (2)
通过联合公式(1)和(2)估算出发射幅相权向量wt。
3.根据权利要求2所述的车载连续波雷达的单元级数字对消方法，其特征在于，发射单元数大于接收单元数。
4.根据权利要求2所述的车载连续波雷达的单元级数字对消方法，其特征在于，通过迭代搜索寻找满足条件的发射幅相权向量。
5.根据权利要求2所述的车载连续波雷达的单元级数字对消方法，其特征在于，步骤2根据耦合传递矩阵和发射幅相权向量，在满足接收天线的波束零点对准发射天线，同时满足在接收天线法线方向接收增益最大的前提下，计算接收幅相权向量，所述接收幅相权向量需要满足如下两个约束条件：
(1)使得接收波束的零点对准发射单元
设接收幅相权向量为
Figure FDA0003984078430000024
，发射孔径的自干扰信号在接收孔径端波束合成后输出为/>
Figure FDA0003984078430000023
，由于步骤1已经确定的耦合传递矩阵Γ、发射幅相权向量wt，为了使得接收波束的零点对准发射单元最小，则wr需要满足：
Figure FDA0003984078430000021
/>
(2)接收天线对目标增益最大
设对于远场角度为π/2的目标，各接收天线单元与其之间的空间传递系数为Gr＝ar(θ)Twr＝wr1ar1(θ)+wr2ar2(θ)+…+wriari(θ)+…+wrMarM(θ)，式中ar(θ)表示接收回波信号，ari(θ)表示第i接收阵元的接收回波信号，wri第i接收阵元幅相加权系数，为使得接收天线对目标增益最大，需要实现同相叠加，即接收幅相权值与目标“共轭匹配”，令Gr＝1，则wr需要满足
ar(θ)T|θ＝π/2Wr＝max (4)
通过联合公式(3)和(4)估算出接收幅相权向量wr。
6.根据权利要求1所述的车载连续波雷达的单元级数字对消方法，其特征在于，通过迭代搜索寻找满足条件的接收幅相权向量。
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