CN109490875B

CN109490875B - 角度估测方法及雷达系统

Info

Publication number: CN109490875B
Application number: CN201710818213.9A
Authority: CN
Inventors: 郭奇政; 萧兴隆; 廖旗涌; 李政达
Original assignee: Wistron Neweb Corp
Current assignee: Wistron Neweb Corp
Priority date: 2017-09-12
Filing date: 2017-09-12
Publication date: 2022-10-14
Anticipated expiration: 2037-09-12
Also published as: CN109490875A

Abstract

一种角度估测方法及雷达系统。该角度估测方法用于一雷达系统，其中该雷达系统包括一第一天线阵列，该第一天线阵列包括M个天线，该角度估测方法包括取得对应于多个波束的多个波束成型权重向量；接收M个天线接收信号，其中该M个天线接收信号形成一接收向量；对该接收向量进行一扩增操作，以取得一增广接收向量；计算该增广接收向量与该多个波束成型权重向量的相关性，以取得对应于该多个波束的多个结果；以及根据该多个结果，判断一目标物的一来向角。本发明利用扩增操作形成增广接收向量，仿真或虚拟化虚拟天线的存在，其等效于窄化其所形成波束的波束宽度及其所形成波束的波束个数，而增进雷达系统的角度分辨能力，有效地利用有限的天线空间。

Description

角度估测方法及雷达系统

技术领域

本发明涉及一种角度估测方法及雷达系统，尤其涉及一种可提升角度分辨能力的角度估测方法及雷达系统。

背景技术

振幅单脉冲(Amplitude Monopulse)雷达系统通常是配置单一发射天线与多个接收天线，接收机通过波束成型(Beamforming)技术估测目标物来向角度。估测角度的方法依据不同角度的接收信号时间差，产生一个对应的相位差，相位差与目标物来向角度形成不同的增益，进行计算得出天线场型。接收机取得不同天线的接收信号能量差之后，利用和差比(delta-sum ratio，Δ/Σ)可计算出目标来向角，而每一个波束的波束宽度(Beamwidth)将会影响对目标物角度的分辨性能。

在振幅单脉冲雷达系统中，一个波束仅可用来检测一个目标物，因此对两个(或多个)具有相同距离与速度的目标物，雷达系统仅能通过不同的波束来分辨出每个目标物的角度。可预期的，波束宽度越窄，其角度分辨能力越好。现有技术利用增加发射天线或接收天线的天线个数来窄化波束宽度，然而，增加天线个数需面临增加天线空间及增加生产成本的缺点。

因此，公知技术实有改善的必要。

因此，需要提供一种角度估测方法及雷达系统来解决上述问题。

发明内容

因此，本发明的主要目的即在于提供一种可在不增加天线个数的前提下窄化波束宽度并提升角度分辨能力的角度估测方法及雷达系统，以改善公知技术的缺点。

本发明公开一种角度估测方法，用于一雷达系统，其中该雷达系统包括一第一天线阵列，该第一天线阵列包括M个天线，该角度估测方法包括：取得对应于多个波束的多个波束成型权重向量，其中该多个波束成型权重向量的一维度为(2M－1)，其中该多个波束对应多个特定来向角；接收对应于该第一天线阵列的该M个天线的M个天线接收信号，其中该M个天线接收信号形成一接收向量；对该接收向量进行一扩增操作，以取得一增广接收向量，其中该增广接收向量的一维度为(2M－1)；计算该增广接收向量与该多个波束成型权重向量的相关性，以取得对应于该多个波束的多个结果；以及根据该多个结果，判断一目标物的一来向角。

本发明还公开一种雷达系统，该雷达系统包括一第一天线阵列，该第一天线阵列包括M个天线，用来接收对应于该M个天线的M个天线接收信号，其中该M个天线接收信号形成一接收向量；一处理单元，耦接于该第一天线阵列，该处理单元用来执行以下步骤：取得对应于多个波束的多个波束成型权重向量，其中该多个波束成型权重向量的一维度为(2M－1)，其中该多个波束对应多个特定来向角；对该接收向量进行一扩增操作，以取得一增广接收向量，其中该增广接收向量的一维度为(2M－1)；计算该增广接收向量与该多个波束成型权重向量的相关性，以取得对应于该多个波束的多个结果；以及根据该多个结果，判断一目标物的一来向角。

本发明利用扩增操作形成增广接收向量，仿真或虚拟化虚拟天线的存在，其等效于窄化其所形成波束的波束宽度及其所形成波束的波束个数，而增进雷达系统的角度分辨能力，有效地利用有限的天线空间。

附图说明

图1为本发明实施例一雷达系统的示意图。

图2为本发明实施例一角度估测流程的示意图。

图3为本发明实施例一第一天线阵列的天线场型示意图。

图4为本发明实施例一第二天线阵列的天线场型示意图。

主要组件符号说明：

10 雷达系统

12 处理单元

20 流程

202～210 步骤

31～34、41～47 波束

AA1、AA2、VA1 天线阵列

R₀～R_M-1、TX、VR₁～VR_M-1 天线

具体实施方式

请参考图1，图1为本发明实施例一雷达系统10的示意图。雷达系统10用来检测及判断目标物的来向角，其包括一传送天线TX、一第一天线阵列AA1以及一处理单元12。传送天线TX用来传送一雷达信号。第一天线阵列AA1用来接收该雷达信号的反射信号，其包括天线R₀～R_M-1。天线R₀～R_M-1为接收天线，其分别接收对应于天线R₀～R_M-1的天线接收信号r₀～r_M-1。天线R₀～R_M-1排列成一均匀线性阵列(Uniform Linear Array，ULA)，而天线接收信号r₀～r_M-1可被视为一接收向量r，举例来说，接收向量r可表示为行向量(Column Vector)如r＝[r₀…r_M-1]^T。处理单元12可为数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)或其他具运算功能的处理单元，其耦接于第一天线阵列AA1，用来根据接收向量r判断一目标物的一来向角(Angle of Arrival，AoA)。

具体来说，处理单元12对接收向量r进行一扩增操作，以取得向量维度(Dimension)为(2M－1)的一增广(Augmented)接收向量r_(A)，再对增广接收向量r_(A)进行相关于接收数字波束成型(Receive Digital Beamforming)的运算操作，并据以判断目标物的来向角。经过扩增操作后的增广接收向量r_(A)相当于由具有(2M－1)个天线的天线阵列所接收到的接收向量。详细来说，藉由处理单元12对接收向量r进行的扩增操作以及形成针对增广接收向量r_(A)的波束成型权重向量(Beamforming Weighting Vector)，处理单元12虚拟化(Virtualize)或仿真(Simulate)虚拟天线VR₁～VR_M-1，并针对对应于虚拟天线VR₁～VR_M-1的信号进行信号处理。如此一来，虚拟天线VR₁～VR_M-1可视为一虚拟天线阵列VA1，而第一天线阵列AA1与虚拟天线阵列VA1可视为一第二天线阵列AA2，第二天线阵列AA2亦为一均匀线性阵列。经过扩增操作后的增广接收向量r_(A)即可视为第二天线阵列AA2所接收到的接收信号(或接收向量)。由于增广接收向量r_(A)相当于由具有(2M－1)个天线的第二天线阵列AA2所接收到的接收信号/接收向量，根据增广接收向量r_(A)判断目标物的来向角，可增加雷达系统10的角度分辨能力。

关于雷达系统10的操作，请参考图2，图2为本发明实施例一角度估测流程20的示意图。角度估测流程20可由雷达系统10来执行，其包括以下步骤：

步骤202：取得对应于多个波束BF₀～BF_K-1的多个波束成型权重向量c₀～c_K-1。

步骤204：接收天线R₀～R_M-1的天线接收信号r₀～r_M-1，其中天线接收信号r₀～r_M-1形成接收向量r。

步骤206：对接收向量r进行扩增操作，以取得增广接收向量r_(A)，其中增广接收向量r_(A)的维度为(2M－1)。

步骤208：计算增广接收向量r_(A)与波束成型权重向量c₀～c_K-1的相关性，以取得对应于波束BF₀～BF_K-1的多个结果y₀～y_K-1。

步骤210：根据多个结果y₀～y_K-1，判断目标物的来向角。

简单来说，雷达系统10利用步骤206来虚拟化虚拟天线阵列VA1，并利用步骤202来取得多个波束成型权重向量c₀～c_K-1，而波束成型权重向量c₀～c_K-1用来在步骤208中对天线R₀～R_M-1及虚拟天线VR₁～VR_M-1的信号进行信号处理(其包含于接收数字波束成型的运算操作)。如此一来，连同雷达系统10实体上具有的第一天线阵列AA1，雷达系统10相当于具有(2M－1)个天线的第二天线阵列AA2。也就是说，雷达系统10相当于利用具有(2M－1)个天线的第二天线阵列AA2来判断目标物的来向角，以增加雷达系统10的角度分辨能力。

详细来说，在步骤202中，处理单元12可先取得指向K个特定来向角θ₀～θ_K-1的波束成型权重向量c₀～c_K-1。其中，波束成型权重向量c_i代表具有(2M－1)个天线的第二天线阵列AA2所接收并对应特定来向角θ_i的一指向向量(Array Response或Signature Vector)，波束成型权重向量c_i可表示为公式1，其中d代表天线与天线之间的距离，λ代表信号波长。

在步骤204中，第一天线阵列AA1接收天线R₀～R_M-1的天线接收信号r₀～r_M-1。天线接收信号r₀～r_M-1可被传递至处理单元12，处理单元12可视天线接收信号r₀～r_M-1为接收向量r。

在步骤206中，处理单元12对接收向量r进行扩增操作，以取得增广接收向量r_(A)。详细来说，处理单元12可对接收向量r中(M－1)个天线接收信号进行共轭运算，以取得(M－1)个共轭信号，并取得增广接收向量r_(A)为(M－1)个共轭信号与接收向量r中(M)个天线接收信号所形成的向量。举例来说，处理单元12可对接收向量r中的天线接收信号r₁～r_M-1进行共轭(Conjugate)运算，以取得共轭信号r₁ ^*～r_M-1 ^*，处理单元12可取得增广接收向量r_(A)为[r_M-1 ^*,…,r₁ ^*,r₀,r₁,…,r_M-1]^T，其中r_i ^*代表r_i的共轭。换句话说，处理单元12利用共轭信号r₁ ^*～r_M-1 ^*仿真或虚拟化虚拟天线VR₀～VR_M-1的存在，即处理单元12视共轭信号r₁ ^*～r_M-1 ^*为虚拟天线VR₀～VR_M-1所接收到的天线接收信号。如此一来，经过扩增操作后的增广接收向量r_(A)即可被视为具有(2M－1)个天线的第二天线阵列AA2所接收到的接收信号(或接收向量)。也就是说，在雷达系统10实际上仅具有M个实体天线(即天线R₀～R_M-1)，经过扩增操作之后，处理单元12可取得维度为(2M－1)的增广接收向量r_(A)，相当于具有(2M－1)个天线的第二天线阵列AA2所接收到的接收信号(或接收向量)。另外，处理单元12对接收向量r所进行的扩增操作类似于一镜像操作，镜像操作后的增广接收向量r_(A)＝[r_M-1 ^*,…,r₁ ^*,r₀,r₁,…,r_M-1]^T相对于中心值r₀呈共轭对称。

在步骤208中，处理单元12分别计算增广接收向量r_(A)与波束成型权重向量c₀～c_K-1的相关性。具体来说，处理单元12可分别将增广接收向量r_(A)与波束成型权重向量c₀～c_K-1进行内积(Inner Product)运算，以取得结果y₀～y_K-1。在一实施例中，对应于波束成型权重向量c_i的结果y_i可表示为y_i＝|c_i ^H r_(A)|，其中c_i ^H代表c_i的共轭转置(ConjugateTranspose)，|c_i ^H r_(A)|代表c_i ^H r_(A)的量级/大小(Magnitude)或振幅(Amplitude)。换句话说，结果y_i即可代表增广接收向量r_(A)与波束成型权重向量c_i的相关性(或相关程度)。

在步骤210中，处理单元12根据该多个结果y₀～y_K-1，判断目标物的来向角。详细来说，处理单元12先取得结果y₀～y_K-1中的具有最大值的结果y_m(即y_m＝max(y₀,…,y_K-1)，其中结果y_m对应于波束BF_m特定来向角θ_m)，并判断目标物相对于雷达系统10的来向角属于波束BF_m所涵盖的角度范围。更精确地说，在一实施例中，当处理单元12判断结果y₀～y_K-1中的最大值为结果y_m时，处理单元12判断目标物相对于雷达系统10的来向角位于(θ_m－BW_m)与(θ_m+BW_m)之间，其中BW_m相关于波束BF_m的波束宽度(Beamwidth)。

由于第二天线阵列AA2视为具有(2M－1)个天线，相较在第一天线阵列AA1所形成的波束，第二天线阵列AA2所形成的波束具有较窄的波束宽度，而使雷达系统10具有较佳的角度分辨能力。

请参考图3及图4，图3为第一天线阵列AA1所形成波束的天线场型示意图，图4为第二天线阵列AA2所形成波束的天线场型示意图。图3及图4以M＝4为例进行说明。第一天线阵列AA1可形成波束31～34，第二天线阵列AA2可形成波束41～47。如图3及图4所示，波束41～47较波束31～34具有较窄的波束宽度，且第二天线阵列AA2可形成较多的波束个数，雷达系统10执行角度估测流程20后可具有较佳的角度分辨能力。

详细来说，当一第一目标物位于雷达系统10的10°位置而一第二目标物位于雷达系统10的20°位置时，若雷达系统10不执行角度估测流程20，雷达系统10仅能判断第一目标物的一第一来向角与第二目标物的一第二来向角皆属于波束33所涵盖的角度范围，而无法分辨第一来向角与第二来向角的角度差异。相较之下，当第一目标物位于雷达系统10的10°位置而第二目标物位于雷达系统10的20°位置，且雷达系统10执行角度估测流程20时，雷达系统10可分辨第一目标物的第一来向角属于波束45所涵盖的角度范围，且分辨第二目标物的第二来向角属于波束46所涵盖的角度范围。换句话说，雷达系统10执行角度估测流程20后，确实可分辨第一来向角与第二来向角的角度差异，其具有较佳的角度分辨能力。

需注意的是，通过执行角度估测流程20，雷达系统10可在仅具有M个天线的前提下，达到具有(2M－1)个天线的角度分辨能力，其亦具有有效利用有限的天线空间的优点。

综上所述，本发明利用扩增操作形成增广接收向量，仿真或虚拟化虚拟天线的存在，其等效于窄化其所形成波束的波束宽度及其所形成波束的波束个数，而增进雷达系统的角度分辨能力，有效地利用有限的天线空间。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡是根据本发明权利要求书所做的等同变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种角度估测方法，用于一雷达系统，其中该雷达系统包括一第一天线阵列，该第一天线阵列包括M个天线，该角度估测方法包括：

取得对应于多个波束的多个波束成型权重向量，其中该多个波束成型权重向量的一维度为(2M－1)，其中该多个波束对应多个特定来向角；

接收对应于该第一天线阵列的该M个天线的M个天线接收信号，其中该M个天线接收信号形成一接收向量；

对该接收向量进行一扩增操作，以取得一增广接收向量，其中该增广接收向量的一维度为(2M－1)；

计算该增广接收向量与该多个波束成型权重向量的相关性，以取得对应于该多个波束的多个结果；以及

根据该多个结果，判断一目标物的一来向角。

2.如权利要求1所述的角度估测方法，其中该多个波束成型权重向量的一波束成型权重向量代表一第二天线阵列对应该多个特定来向角中一特定来向角的一指向向量，该第二天线阵列为相当于具有(2M－1)个天线的天线阵列。

3.如权利要求1所述的角度估测方法，其中对该接收向量进行该扩增操作，以取得该增广接收向量的步骤包括：

对该M个天线接收信号中(M－1)个天线接收信号进行一共轭运算，以取得(M－1)个共轭信号；以及

取得该增广接收向量为该(M－1)个共轭信号与该M个天线接收信号所形成的向量。

4.如权利要求1所述的角度估测方法，其中该接收向量中M个天线接收信号记为r₀,r₁,…,r_M-1，该接收向量相关于[r₀,r₁,…,r_M-1]，该增广接收向量相关于[r_M-1 ^*,…,r₁ ^*,r₀,r₁,…,r_M-1]，该M个天线接收信号为该第一天线阵列中M个天线所接收到的信号。

5.如权利要求1所述的角度估测方法，其中计算该增广接收向量与该多个波束成型权重向量的相关性，以取得该多个结果的步骤包括：

将该增广接收向量与该多个波束成型权重向量进行一内积运算，以取得该多个结果。

6.如权利要求1所述的角度估测方法，其中计算该增广接收向量与该多个波束成型权重向量的相关性，以取得该多个结果的步骤包括：

计算对应于一波束成型权重向量的一结果相关于c_i ^Hr_(A)；

其中，r_(A)代表该增广接收向量，c_i代表该波束成型权重向量，c_i ^H代表c_i的共轭转置。

7.如权利要求1所述的角度估测方法，其中根据该多个结果，判断该目标物的该来向角的步骤包括：

取得该多个结果中具有最大值的一第一结果，其中该第一结果对应一第一波束；以及

判断该目标物的该来向角相关于对应于该第一结果的一第一特定来向角，其中该来向角与该第一特定来向角之间的差值小于一范围，该范围相关于该第一波束的一第一波束宽度。

8.一种雷达系统，该雷达系统包括：

一第一天线阵列，该第一天线阵列包括M个天线，用来接收对应于该M个天线的M个天线接收信号，其中该M个天线接收信号形成一接收向量；

一处理单元，耦接于该第一天线阵列，该处理单元用来执行以下步骤：

根据该多个结果，判断一目标物的一来向角。

9.如权利要求8所述的雷达系统，其中该多个波束成型权重向量的一波束成型权重向量代表一第二天线阵列对应该多个特定来向角中一特定来向角的一指向向量，该第二天线阵列为相当于具有(2M－1)个天线的天线阵列。

10.如权利要求8所述的雷达系统，其中该处理单元还用来执行以下步骤，以对该接收向量进行该扩增操作，以取得该增广接收向量：

11.如权利要求8所述的雷达系统，其中该接收向量中M个天线接收信号记为r₀,r₁,…,r_M-1，该接收向量相关于[r₀,r₁,…,r_M-1]，该增广接收向量相关于[r_M-1 ^*,…,r₁ ^*,r₀,r₁,…,r_M-1]，该M个天线接收信号为该第一天线阵列中M个天线所接收到的信号。

12.如权利要求8所述的雷达系统，其中计算该增广接收向量与该多个波束成型权重向量的相关性，以取得该多个结果的步骤包括：

13.如权利要求8所述的雷达系统，其中计算该增广接收向量与该多个波束成型权重向量的相关性，以取得该多个结果的步骤包括：

计算对应于一波束成型权重向量的一结果相关于y_i＝c_i ^Hr_(A)；

14.如权利要求8所述的雷达系统，其中根据该多个结果，判断该目标物的该来向角的步骤包括：