CN109581352B - 一种基于毫米波雷达的超分辨测角系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于毫米波雷达的超分辨测角系统，该系统针对77GHz毫米波雷达处理平台的技术要求，结合实际应用场景，提出一种稳健的超分辨算法。实现了在雷达角度分辨力以及测角精度方面的性能提升，具有良好的可实现性。

Description

一种基于毫米波雷达的超分辨测角系统

技术领域

本发明涉及一种基于毫米波雷达的超分辨测角系统。

背景技术

随着车载毫米波雷达技术的不断发展，对目标距离、速度、角度的测量精度需求也越来越高。许多车企迫切需求一种能有效改善角度分辨力和测角精度的算法，并且可以实现一定程度的可实现性。

现在国内有单位设计开发了相控阵雷达的角度超分辨算法，如论文“基于去卷积的目标角度超分辨算法”，《船舶电子工程》2015年第03期，69-71页中提到的一种去卷积的超分辨算法，但是其应用场景与车载环境下的要求有所不同，信号处理性能也相应的受到限制。

发明内容

本发明目的是要提供一种基于77GHz毫米波雷达处理平台的超分辨测角系统，可在该应用场景中，有效提高角度分辨力和测角精度。

本发明系统具体包括收发天线模块、TR组件模块、中频处理模块和信号处理模块；

其中，所述收发天线模块用于根据系统应用需求产生能够对特定空域进行有效能量覆盖的收发波束。在发明的车载应用场景中，即是根据所需识别的目标类型，如车辆、行人等。收发天线模块的收发天线通过电磁波，形成特定的波束指向。因此，需要收发波束能够覆盖目标以达到识别的目的；

所述TR(Transmitter and Receiver)组件模块是指一个无线收发系统，即收发组件，TR组件模块的功能是根据设定的参数产生满足性能指标的发射信号，设定的参数包括雷达信噪比和天线隔离度，TR组件模块通过调整收发天线之间的布局以及尺寸来产生满足性能指标的发射信号，接收天线通过耦合效应接收到发射信号形成的回波，在TR组件模块中对该信号进行低噪声放大，得到模拟中频信号；该模块中需要重点考虑的是发射LFM信号的线性度、收发组件间的隔离度、相位噪声等；

所述中频处理模块用于对TR组件模块得到的模拟中频信号进行滤波、自适应放大及模拟数字(AD)转换处理，再将处理后的信号发送至信号处理模块，该信号中包含目标的距离、速度、方位信息。信号处理模块要做的就是将这些信息提取出来；为保证后续信号处理及目标检测的正确性，要求该模块具有高增益、大动态范围、低噪声系数及良好的I/Q通道一致性；

所述信号处理模块用于信号处理和数据处理，所述信号处理包括：在对中频处理模块发送来的信号进行干扰和杂波抑制的基础上，通过对目标信息的提取实现目标的检测及参数测量。干扰和杂波抑制主要分为软件和硬件，其中，软件主要是通过算法的方法将干扰和杂波抑制掉；硬件一般采用滤波器的方式进行抑制。本发明主要采用软件平台的方式进行相应的抑制。所述数据处理包括：根据信号处理所获得的目标信息，形成目标运动的点迹和航迹，由此描绘出目标的运动轨迹，以实现对检测到的目标进行跟踪。

所述有效能量覆盖是指收发天线的天线增益、波束宽度能够满足系统对收发天线的天线增益、波束宽度的指标要求。

系统执行如下步骤实现超分辨测角：

步骤1，由收发天线模块的收发天线产生可用于后续处理的信号；

步骤2，通过TR组件模块实现对信号协方差矩阵的重构。其中，协方差矩阵是由各个信号源之间的协方差构成的；重构是利用信号、干扰加噪声的信噪比等信息有差异的特点，通过滤波的方法将其进行分离，滤除协方差矩阵中的有用信号，得到重构后的干扰加噪声协方差矩阵。可参考：郭艳，刘学亮，李宁，王金龙.基于协方差矩阵重构的DOA估计方法.解放军理工大学学报第13卷第1期2012年2月.中对矩阵重构的描述；

步骤3，通过中频处理模块对重构后的干扰加噪声协方差矩阵进行特征值分解，设定共有M个特征值，则重构后的协方差矩阵表示为

其中i＝1,...,M，N为噪声子空间的维数，γ₁≥γ₂≥...≥γ_p+1≥γ_p+2≈...γ_M表示

对应的M个特征值，γ_M表示第M个特征值，u_i表示对应的特征向量，Λ_S＝diag(γ₁,γ₂,...,γ_p+1)表示信号特征向量组成的对角阵，Λ_N＝diag(γ_p+2,...,γ_M)表示噪声特征向量组成的对角阵。U_S＝[u₁,u₂,...,u_p+1]，U_N＝[u_p+2,...,u_M]分别为信号子空间和噪声子空间，u_M代表

对应的特征向量。因此对应噪声子空间的特征向量矩阵即为噪声子空间U_N中的各元素构成的矩阵；

则最优对角加载量

可以表示为信号子空间U_S各列向量u₁,u₂,...,u_p+1的线性组合，即

其中，α表示组合系数γ₁,γ₂,...,γ_p+1组成的列向量。将

进行标量化，计算其模值

得到满足约束的最优解；

再通过

计算最优权矢量，其中，ω表示最优权矢量，

表示重构后的协方差矩阵，

表示矩阵

的转置，

表示矩阵

的转置；

步骤4，在信号处理模块中，利用阵元之间的关系，求出相应的目标角度的估计值及角度分辨力。

步骤4中，设定由收发天线模块中的阵元排布产生的阵列天线的相位中心相距为D，若上述阵列天线存在两组，且两阵列均为由N个阵元构成的等距线阵，发射信号波长为λ，阵元间距为d，目标真实角度为θ_t，采用相位比较法得到两个子阵列输出信号的相位差为

根据相位差

得到目标角度估计值

采用如下公式计算相位差

采用如下公式计算目标角度估计值

根据公式(3)，当进行角度估计时，需要考虑测角模糊问题，要保证角度测量不模糊，需要下式成立：

则：

对式(2)两端进行取微分可得到相应的角度分辨力

用户可以根据信号处理中对超分辨测角的相关流程的描述，得到相应的角度分辨力和测角精度方面的提升。

1)方位角度分辨力。雷达系统的方位角度分辨力是指其在相同距离上的两个不同方维向上的点目标之间最小能区分的角度

在不采取特殊处理(加窗技术或天线赋形技术等)时，半功率点宽度Δθ_1/2取决于天线在方位上的有效孔径。

结合毫米波雷达的具体工作参数，对系统角度分辨力进行仿真分析。通过对天线阵列进行设定，对目标回波信号进行波束扫描。为了改善系统的角度分辨，可以采用具有较高稳健性的超分辨算法，通过对多种现有超分辨算法的分析，采用稳健超分辨方法进行高分辨处理。在相同的实验条件下对改算法的超分辨能力进行了仿真分析，得到相应的入射信号功率谱。

2)测角精度。设定阵列天线阵元个数N＝4，阵元间距d＝λ2，波束中心角度θ₀＝0，单个阵元接收信噪比由10变化到40dB，估计入射信号协方差矩阵的快拍个数为100，得到目标入射角度θ_t为0和15°时，相位比较方法的测角均方根误差随信噪比的变化情况。

本发明针对77GHz毫米波雷达的应用场景，设定阵列天线为由N＝4个阵元构成的等距线阵，阵元间距为发射信号波长的一半，波束中心角度θ₀＝0，其半功率点波束宽度为27°，得到相应的波束扫描结果以及测角均方根误差随信噪比的变化情况。

有益效果：本发明采用一种稳健的超分辨方法，针对阵元等距天线的毫米波雷达应用场景，经过与传统算法(比幅单脉冲方法、比相单脉冲方法、波束扫描)的性能分析比较，说明稳健超分辨方法的角度分辨力和测角精度都有着显著的改善。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是毫米波雷达的信号处理平台整体框图。

图2是连续波雷达系统原理框图。

图3是常规算法角度分辨力(两目标不可分辨)。

图4是常规算法角度分辨力(两目标可分辨)。

图5是超分辨算法角度分辨力。

图6是和差波束比幅法原理图。

图7是测角性能随信噪比的变化情况。

图8是相位比较法原理图。

图9是比相法测角性能随信噪比的变化情况。

图10是波束扫描方法测角性能随信噪比的变化。

图11是超分辨算法流程。

图12是超分辨方法测角性能随信噪比的变化。

图13是各算法性能随信噪比的变化情况。

图14是不同测角算法的实测数据处理得到的空间谱。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

图1展示了毫米波雷达的信号处理平台整体框图，该平台主要由收发天线模块、TR组件模块、中频处理模块、信号处理模块相互配合，完成毫米波雷达信号处理。

毫米波雷达系统从体制上而言可以分为脉冲体制和连续波体制两种。一般而言，在脉冲体制下收发天线共用，其在发射信号期间不进行信号的接收，导致存在较大的测距盲区，不适于在短距离测量系统中应用，因此在车载毫米波系统中拟采用连续波体制，系统的基本原理框图如图2所示。

另外，为了同时对目标的距离和速度进行测量，需要对发射信号进行频率调制。线性调频连续波(LFMCW)信号具有大带宽及易于产生等优点，因此在系统中选取LFMCW信号作为系统发射信号。

角度分辨力分析：

1)方位角度分辨力分析。

雷达系统的方位角度分辨力是指其在相同距离上的两个不同方维向上的点目标之间最小能区分的角度

一般而言，在不采用现代高分辨算法(MUSIC、ESPRIT等)的前提下(实质上，这类算法很难在实际工程应用中实现)，系统的方位角度分辨力仅决定于雷达天线波束在方位上的半功率点宽度Δθ_1/2，而在不采取特殊处理(加窗技术或天线赋形技术等)时，Δθ_1/2取决于天线在方位上的有效孔径，即：

其中D_θ为天线在方位上的有效孔径，λ为发射信号波长。在实际系统中，为了降低天线副瓣，通常会进行加窗处理，此时系统的角度分辨力会有所损失，其具体值同所加窗函数的类型决定。

2)角度分辨力仿真分析。

结合毫米波雷达的具体工作参数，对系统角度分辨力进行仿真分析。设定阵列天线为由N＝4个阵元构成的等距线阵，阵元间距为发射信号波长的一半，其半功率点波束宽度为27°。设两等大小目标位于同一距离单元内，两目标的方位角度分别为-10°和10°，单个接收通道内目标回波的信噪比为10分贝，对目标回波信号进行波束扫描，得到扫描结果如图3所示。保持其它参数不变，设定两目标的方位角度分别为-16°和16°，得到相应的波束扫描结果如图4所示。

由图3和4可知，当不采用特殊高分辨处理措施时，若两个目标位于同一波束半功率点范围内时，系统不能够对两目标在空域进行分辨，而两目标间的空域角度间隔大于半功率点宽度时，系统能够对两目标进行有效分辨。为了改善系统的角度分辨，可以采用具有较高稳健性的超分辨算法，通过对多种现有超分辨算法(MUSIC、ESPRIT、线性预测方法、最大熵方法、最小模方法、稀疏表示法、Capon法等)的分析，拟采用稳健超分辨方法进行高分辨处理。在相同的实验条件下对改算法的超分辨能力进行了仿真分析，得到入射信号功率谱如图5所示。

由图5可知，超分辨算法具有较高的角度分辨能力。但是需要说明的是，采用超分辨算法时需要对入射信号协方差矩阵进行估计并进行求逆运算，这导致该算法具有较大的运算量，仅适合于在小孔径阵列天线中应用。另外，该算法对各类阵列误差较敏感(位置、幅相等)，实际使用时需要对其加以克服。

测角方法及性能：

1)比幅单脉冲方法。

该方法的基本原理是对系统的一个回波脉冲形成指向稍微不同但覆盖范围重叠的两个波束，通过由两个指向不同波束分别形成和、差波束。利用两波束的比值建立相应的鉴角曲线，在对目标角度进行测量时，根据目标回波方向上两波束的比值查找鉴角曲线，即可实现对目标角度的测量，如图6所示，图6中，左上角是两个不同指向的波束，右上角是和波束，左下角是差波束，右下角是鉴角曲线。

设定阵列天线阵元个数N＝4，阵元间距d＝λ/2，中心角度θ₀＝0，单个阵元接收信噪比由10变化到40dB，得到目标入射角度θ_t分别为0°和15°时，和差波束比幅方法的测角均方根误差随信噪比的变化情况如图7所示。需要说明的是为了验证方法的正确性，图中同时给出了相应条件下，比幅单脉冲方法的理论性能曲线。

2)比相单脉冲方法。

该方法的基本原理是通过一定的技术手段利用相位中心不同的阵列天线形成两个波束指向相同的波束，通过提取出两阵列接收目标信号相位的差异来实现对目标角度的测量。

子阵平均划分时的性能。设定阵列天线阵元个数N＝4，阵元间距d＝λ/2，波束中心角度θ₀＝0，单个阵元接收信噪比由10变化到40dB，得到入射角度θ_t为0和15°时，相位比较方法的测角RMSE随信噪比的变化情况如图9所示。

3)波束扫描方法。

波束扫描法是在现代数字阵列雷达体制下提出的一种测角方法，其基本原理是利用一组与目标入射角度有关的权值矢量对阵列天线接收信号进行合成，通过找出合成结果中幅值最大的权矢量两对应的角度值，即可得出目标入射角度。

设定阵列天线阵元个数N＝4，阵元间距d＝λ/2，波束中心角度θ₀＝0，单个阵元接收信噪比由10变化到40dB，得到目标入射角度θ_t为0和15°时，相位比较方法的测角均方根误差随信噪比的变化情况如图10所示。

4)超分辨方法。

该超分辨算法的流程如图11所示：

首先，对信号协方差矩阵进行重构，滤除协方差矩阵中的有用信号；然后，对重构后的干扰加噪声协方差矩阵进行特征值分解，求出噪声子空间的特征向量矩阵。得到最优对角加载量，并进行标量化，得到满足约束的最优解。最后，计算最优权矢量。

阵列天线的相位中心相距为D，若设两阵列均为由N个阵元构成的等距线阵，发射信号为λ，阵元间距为d，目标真实角度为θ_t，采用相位比较法得到两个子阵列输出信号的相位差为：

则根据相位差

得到目标角度估计值为：

由式可知，当进行角度估计时，需要考虑测角模糊问题。要保证角度测量不模糊，需要下式成立：

则：

又对式(2)两端进行取微分可得到相应的角度分辨力

单个阵元接收信噪比由10变化到40dB，估计入射信号协方差矩阵的快拍个数为100，得到目标入射角度θ_t为0和15°时，相位比较方法的测角均方根误差随信噪比的变化情况如图12所示。

4)各算法性能比较。

为了对比上述各算法的角度估计性能，在上述相同条件下同时给出了各算法的角度测量精度随信噪比的变化情况，如图13所示。其中，直线段为理论值，方框为实验值，可见0°和15°两种情况下，实验值与理论值都能很好地拟合。

由图13可知，理论上而言超分辨方法具有最优的测角性能，波束扫描方法次之，单脉冲方法最差。另外，通过前面的分析可知，在相同的条件下超分辨方法具有远优于其他方法的分辨力。

5)实测数据处理及分析。

采用上述几种角度测量方法，对77G毫米波系统在暗室内的实测数据进行处理，得到不同距离和信噪比参数下的处理结果如图14所示。

由实测数据处理结果可以得到理论及仿真分析相同的结论，即超分辨方法具有更好的空间分辨力及角度测量性能。

本发明提供了一种基于毫米波雷达的超分辨测角系统，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种基于毫米波雷达的超分辨测角系统，其特征在于，包括收发天线模块、TR组件模块、中频处理模块和信号处理模块；

其中，所述收发天线模块用于根据系统应用需求产生能够对特定空域进行有效能量覆盖的收发波束；

所述TR组件模块是指一个无线收发系统，即收发组件，TR组件模块的功能是根据设定的参数产生满足性能指标的发射信号，设定的参数包括雷达信噪比和天线隔离度，TR组件模块通过调整收发天线之间的布局以及尺寸来产生满足性能指标的发射信号，接收天线通过耦合效应接收到发射信号形成的回波，在TR组件模块中对该信号进行低噪声放大，得到模拟中频信号；

所述中频处理模块用于对TR组件模块得到的模拟中频信号进行滤波、自适应放大及模拟数字转换处理，再将处理后的信号发送至信号处理模块，该信号中包含目标信息，具体包括目标的距离、速度、方位信息；

所述信号处理模块用于信号处理和数据处理，所述信号处理包括：在对中频处理模块发送来的信号进行干扰和杂波抑制的基础上，通过对目标信息的提取实现目标的检测及参数测量；所述数据处理包括：根据信号处理所获得的目标信息，形成目标运动的点迹和航迹，由此描绘出目标的运动轨迹，以实现对检测到的目标进行跟踪；

所述有效能量覆盖是指收发天线的天线增益、波束宽度能够满足系统对收发天线的天线增益、波束宽度的指标要求；

系统执行如下步骤实现超分辨测角：

步骤1，由收发天线模块产生用于后续处理的信号；

步骤2，通过TR组件模块实现对信号协方差矩阵的重构，其中，协方差矩阵是由各个信号源之间的协方差构成的；重构是利用信号、干扰加噪声的信噪比信息有差异的特点，通过滤波的方法将其进行分离，滤除协方差矩阵中的有用信号，得到重构后的干扰加噪声协方差矩阵；

步骤3，通过中频处理模块对重构后的干扰加噪声协方差矩阵进行特征值分解，设定共有M个特征值，则重构后的协方差矩阵表示为

其中i＝1,...,M，N为噪声子空间的维数，γ₁≥γ₂≥...≥γ_p+1≥γ_p+2...≥γ_M表示

对应的M个特征值，γ_M表示第M个特征值，u_i表示

对应的特征向量，i＝1,...,M，Λ_S＝diag(γ₁,γ₂,...,γ_p+1)表示信号特征向量组成的对角阵，Λ_N＝diag(γ_p+2,...,γ_M)表示噪声特征向量组成的对角阵；U_S＝[u₁,u₂,...,u_p+1]，U_N＝[u_p+2,...,u_M]分别为信号子空间和噪声子空间，u_M代表

对应的特征向量，对应噪声子空间的特征向量矩阵即为噪声子空间U_N中的各元素构成的矩阵；

则最优对角加载量

表示为信号子空间U_S各列向量u₁,u₂,...,u_p+1的线性组合，即：

其中，α表示组合系数γ₁,γ₂,...,γ_p+1组成的列向量，将

进行标量化，计算其模值

得到满足约束的最优解；

再通过

计算最优权矢量，其中，ω表示最优权矢量，

表示重构后的协方差矩阵，

表示矩阵

的转置，

表示矩阵

的转置；

步骤4，信号处理模块利用阵元之间的关系，求出相应的目标角度的估计值及角度分辨力。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，步骤4中，设定由收发天线模块中的阵元排布产生的阵列天线的相位中心相距为D，若上述阵列天线存在两组，且两阵列均为由N个阵元构成的等距线阵，发射信号波长为λ，阵元间距为d，目标真实角度为θ_t，采用相位比较法得到两个子阵列输出信号的相位差为

根据相位差

得到目标角度估计值

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，采用如下公式计算相位差

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，采用如下公式计算目标角度估计值

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，根据公式(3)，当进行角度估计时，需要考虑测角模糊问题，要保证角度测量不模糊，需要下式成立：

则：

对式(2)两端进行取微分得到相应的角度分辨力

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