CN109804269B - 用于在mimo雷达中获取角度多普勒签名的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于使用多输入多输出(MIMO)雷达中的稀疏阵列来获取目标的角度多普勒签名的方法，所述MIMO雷达包括发射天线阵列，所述发射天线阵列是至少一维(例如，二维、三维或者四维)的，并且具有多个天线元件。所述方法包括：生成用于由所述发射天线阵列发送的发射信号，所述发射信号至少定义所述发射天线阵列内的相位中心的第一发射轨迹(例如，圆形)；以及使用幅度调制通过所述发射天线阵列发送所述发射信号。所述方法还包括：从所述目标接收接收信号，所述接收信号产生于所述发射信号入射在所述目标上；以及根据所述接收信号确定所述角度多普勒签名。所述第一发射轨迹使得，在操作中，所述相位中心在所述发射天线阵列内经历非线性运动。

Description

用于在MIMO雷达中获取角度多普勒签名的方法和系统
技术领域
概括地说，本发明涉及例如用在机动车中的使用MIMO雷达进行的对物体的无线检测，并且更具体地说，本发明涉及用于使用非线性相位中心运动(PCM)获取角度多普勒签名的方法和系统。
背景技术
在现代车辆中，雷达系统被越来越多地使用，即，用于感应相邻的物体/目标(包括其它的车辆)、用于车道变更、碰撞避免和其它的驾驶员辅助功能。
雷达系统中的就角度、多普勒和距离来说的非模糊的区分仍然是调查研究的领域。角分辨率在物理上受总天线阵列大小的限制。已知的虚拟多输入多输出(MIMO)概念就它们的相控阵列对应物来说利用相同数量的天线元件提供更好的角分辨率。对稀疏阵列和正交信号的使用导致产生处理单元中的几乎填满了的阵列。在现有技术中已经广泛讨论了达到就发射信号来说的正交性。
实现虚拟MIMO方案的一种简单的方法是时分复用(TDM)MIMO原理；见D.Zoeke和A.Ziroff，“Phase migration effect in moving target localization using switchedMIMO arrays”，第12届欧洲雷达会议程序，2015。在这个概念中，已经通过切换发射Tx和接收Rx信道以使得Rx和Tx的全部组合已经在相干处理间隔(CPI)内发生来实现波形的独立性。对这种方法的分析导致理解TDM MIMO概念实际上是天线结构内的线性相位中心运动。由于线性相位中心运动(PCM)，目标角度被编码成频率。然而，如果存在使PCM失真的额外的目标运动，强的角度多普勒耦合发生，并且必须被解决。在Zoeke和Ziroff论文中，通过使用一个移动的和一个固定的相位来解决这个问题。固定的相位中心(PC)被用于多普勒补偿。一个问题在于，这种方法仅如果没有任何其它的目标出现在相同的距离筐处而具有不同的多普勒频移时起作用。后者的结果是，重影目标出现在距离-角度-多普勒地图内。
此外，在Zoeke和Ziroff论文中所公开的方法中，在接收机和发射机的天线阵列内，仅一个发射机和一个接收机被同时地开启，并且相位中心被取为阵列内的离散的位置。所使用的开关方案被称为被混合、交织、堆叠和多堆叠，并且全部导致产生线性PCM。这样的方案中的全部方案对角度进行编码，并且对于虚拟MIMO方法利用角度的正交性，但全部遭受由目标的运动目标引起的相位改变的困扰。开关方案自身可以被理解为用于单个轨迹的一种相位中心运动。相应地，利用所公开的技术，使用了仅单个轨迹；并且所呈现的轨迹全部遭受目标多普勒频移的困扰，并且因此与本发明的情况一样，不是同时在角度和多普勒上正交的。
在Y.-B.G.Shiwen Yang和P.K.Tan，“Linear antenna arrays withbidirectional phase center motion”，IEEE天线和传播学报，第53卷，第5号，第1829–1835页，2005年5月中，呈现了线性阵列中的双向线性相位中心运动。作者介绍了受相位中心运动影响的多普勒频移。那些多普勒频移被用于将辐射模式旁瓣的功率移位到另一个频谱中。旁瓣的多普勒频移是由被远场中的目标看到的有效相位中心轨迹的角度依赖性引起的。
在Y.B.G.Shiwen Yang和A.Qing，“Sideband suppression in time-modulatedlinear arrays by the differential evolution algorithm”，IEEE天线和无线传播信函，第1卷，第173–175页，2002年11月和J.Guo,S.Yang，S.-W.Qu,J.Hu和Z.Nie，“A study onlinear frequency modulation signal transmission by 4-d antenna arrays”，IEEE天线和传播学报，第63卷，第12号，第5409–5416页，2015年12月中，关于应用辐射模式设计算法和不同于线性方法的其它形式的天线中心开关作出了进一步的研究。然而，所公开的技术全部涉及单轨迹方法，并且不涉及轨迹的正交性。
在D.R.Fuhrmann和G.S.Antonio，“Transmit beamforming for mimo radarsystems using partial signal correlation”，2004中，提供了一种模型，该模型使用仅天线元件之间的相关性，即，没有时间相关性的仅空间相关性。
发明内容
本发明解决的问题是如何减少角度多普勒模糊和提高目标检测的区分度。
为了克服上面提到的问题，本发明提供了一种用于使用多输入多输出(MIMO)雷达获取目标或者多个目标的角度多普勒签名的方法，所述MIMO雷达包括发射天线阵列，所述发射天线阵列是至少一维的，并且具有多个天线元件。所述方法包括：生成用于由所述发射天线阵列发送的发射信号，所述发射信号至少定义所述发射天线阵列内的相位中心的第一发射轨迹；以及使用所述发射天线阵列发送所述发射信号。所述方法进一步包括：从所述目标接收接收信号，所述接收信号产生于所述发射信号入射在所述目标上(和随后的来自所述目标的反射)；以及根据所述接收信号确定所述角度多普勒签名。所述第一发射轨迹使得在操作中所述相位中心在所述发射天线阵列内经历非线性运动。
本发明解决了由非线性PCM导致的角度多普勒模糊的问题。所述PCM被用于非模糊角度多普勒编码。
优选地，所述MIMO雷达包括接收天线阵列，所述接收天线阵列是至少一维的，并且具有多个天线元件。优选地，从所述目标接收所述接收信号包括：使用所述接收天线阵列接收所述接收信号；并且所述接收信号至少定义所述接收天线阵列内的相位中心的第一接收轨迹。
所述第一发射轨迹和所述第一接收轨迹可以与彼此相对应或者相同。
优选地，所述第一发射轨迹和/或所述第一接收轨迹与所述发射信号的幅度调制(AM)相对应。优选地，所述发射信号由以下方程给出：
Figure BDA0002025451830000031
其中，所述向量wTx(t)代表AM，B是啁啾带宽，以及Tc是啁啾持续时间。
所述接收信号可以由以下方程给出：
Figure BDA0002025451830000032
其中，ω0是载波角频率，Sk是MIMO信道矩阵，Ak是第k个目标雷达横截面，ωDk是第k个目标多普勒频移，K是目标的总数，rk是目标距离，以及c0是光速。
所述方法优选地进一步包括：向下混合所述接收信号y(t)以获取由以下方程给出的经向下混合的信号yDM(t)：
Figure BDA0002025451830000041
其中
Figure BDA0002025451830000042
Figure BDA0002025451830000043
所述方法优选地进一步包括：将所述经向下混合的信号yDM(t)变换到离散时域以获取由以下方程给出的基带信号yBB(is)：
Figure BDA0002025451830000044
其中，ω0是载波角频率，ωBk是就FMCW来说的距离对应拍频，Sk是MIMO信道矩阵，Ak是第k个目标雷达横截面，ωDk是第k个目标多普勒频移，K是目标的总数，rk是目标距离，以及c0是光速。
所述方法优选地进一步包括：从所述基带信号yBB(is)导出由以下方程给出的多普勒签名yDS(ic)：
Figure BDA0002025451830000045
其中，SkwTx(icTc)是由以下方程给出的所述发射天线阵列的组因子GTx
Figure BDA0002025451830000046
其中，dTx是发射天线元件的元件间间隔，φk是第k个目标到达角度，wTxn是所述幅度调制向量wTx的第n个元素，N是wTx内的元素的总数，以及k0是自由空间波数。所述AM向量wTx包括所述发射相位中心。
优选地，所述第一发射轨迹和/或所述第二发射轨迹是使用由以下方程定义的相位中心位置xPC形成的：
Figure BDA0002025451830000051
其中，kx＝k0sin(φk)。
应当指出，上面描述的实施例仅提供一种达到所述处理的可能的方法。技术人员将容易地理解，本发明可以被扩展到多个轨迹。关键在于对wTx和wRx的选取。
优选地，所述第一发射轨迹和/或第二发射轨迹或其它的发射轨迹被形成为使得分别的相位中心的运动是成正弦的。所述方法优选地进一步包括：根据以下方程从所述接收信号导出多普勒签名yDS(ic)
Figure BDA0002025451830000052
其中，ωCPI是用于相干处理间隔(CPI)的角频率，并且由以下方程给出：
Figure BDA0002025451830000053
优选地，根据所述接收信号确定所述角度多普勒签名包括：使用滤波器组，其中，p和q的每个组合是分别与所述滤波器组的一个滤波器相关的，其中，所述滤波器组的每个滤波器与p和q的一个组合相对应以使得每个滤波器由以下方程给出
Figure BDA0002025451830000054
其中，
Rp＝pπ
ωDq＝qωCPI。
优选地，所述滤波器组的输出被计算为以下方程
Figure BDA0002025451830000055
其中，
Rk＝sin(φk)k0x0。
所述方法优选地进一步包括：从所述滤波器组的输出的阶数导出所述多普勒。对于正弦PCM，所述滤波器组输出具有例如离散贝塞尔函数特性。贝塞尔函数的阶数代表多普勒域，并且幅角是与所述目标角度相关联的。因此，所述贝塞尔函数为根据正弦PCM的角度多普勒区分提供模糊函数。
如果贝塞尔函数的阶数代表多普勒域，并且幅角是与所述目标角度相关联的，则所述方法优选地进一步包括：从所述滤波器组的所述输出的幅角导出目标角度。
优选地，所述至少第一发射轨迹包括至少第一发射轨迹和第二发射轨迹和/或所述至少第一接收轨迹包括至少第一接收轨迹和第二接收轨迹。
进一步就正弦PCM及其贝塞尔特性来说，所述第一接收轨迹的频率优选地与所述第一发射轨迹的频率不同和/或所述第二接收轨迹与所述第二发射轨迹的频率不同。一个可能的实施例可以例如实现不同的轨迹签名之间的正交性。
优选地，所述第一接收轨迹的频率是所述第一发射轨迹的频率的一半和/或所述第二接收轨迹是所述第二发射轨迹的频率的一半。
优选地，所述第一发射轨迹和所述第二发射轨迹具有不同的起点和/或所述第一接收轨迹和所述第二接收轨迹具有不同的起点。
优选地，所述第一发射轨迹是正弦和余弦中的一项，并且所述第二发射轨迹是正弦和余弦中的另一项，和/或所述第一接收轨迹是正弦和余弦中的一项，并且所述第二接收轨迹是正弦和余弦中的另一项。应当指出，所述正弦和余弦可以具有相同的相位(起点)，或者它们可以具有不同的相位。
优选地，所述发射天线阵列和所述接收天线阵列是二维的，或者所述发射天线阵列和所述接收天线阵列是三维的。
优选地，根据所述接收信号确定所述多普勒签名包括：将角度多普勒签名yDS(ic)确定为以下方程
Figure BDA0002025451830000061
其中，Ak是第k个目标雷达横截面，K是目标的总数，ωDk是第k个目标多普勒频移，Tc是啁啾持续时间，k0是自由空间波数，φk是第k个目标到达角度，xPC(ic)是x方向上的相位中心轨迹。
在一个可能的实施例中，所述方法包括：将角度多普勒签名yDS(ic)的幅角确定为以下方程：
Figure BDA0002025451830000071
Figure BDA0002025451830000072
其中，
Figure BDA0002025451830000073
是三维结构上的所述相位中心轨迹，k0是自由空间波数，以及φk是k-目标到达角度；以及基于所确定的
Figure BDA0002025451830000074
区分目标。
所述方法优选地进一步包括：根据以下方程确定多普勒ωDk
Figure BDA0002025451830000075
其中，
Figure BDA0002025451830000076
是三维结构上的所述相位中心轨迹，以及ωDk是第k个目标多普勒频移；以及基于所确定的ωDk区分目标。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于使用多输入多输出(MIMO)雷达获取目标的角度多普勒签名的系统，所述系统包括：发射天线阵列，所述发射天线阵列是至少一维的，并且具有多个天线元件；以及被耦合到所述发射天线阵列的处理电路，所述处理电路被配置为实现根据所附权利要求书的权利要求1到25中的任一项所述的方法。
所述系统优选地进一步包括被耦合到所述处理电路的接收天线阵列，所述接收天线阵列是至少一维的，并且具有多个天线元件。
根据本发明的另一个方面，提供了一种存储指令的非暂时性计算机可读介质，所述指令在由处理电路执行时执行根据所附权利要求书的权利要求1到25中的任一项所述的方法。
本发明涉及包括不仅时间依赖性的新的信号模型。另外，其提供相位中心运动作为设计参数和新的自由度，为发射信号设计打开新的途径。PCM可以被看作用于发射信号(模型)和合适的接收机相关器(滤波器)组的设计的新的框架。开关天线元件或者实际上移动辐射的相位中心的效果相当于引入所接收的信号的多普勒频移。根据本发明的系统引入正交的多普勒和角度签名以及天线阵列上的独立的PCM轨迹。这样的系统设计目前还未被实现。
至少在实施例中，本发明的优点在于减少角度多普勒模糊，提高目标检测的区分度，以及使用更少的天线元件。
附图说明
从以下参考附图对非限制性实施例作出的详细描述中，本发明的进一步的细节和优点将显而易见，其中：
图1示意性地示出了根据一个实施例的用于FMCW PCM系统的一个系统模型；
图1A提供了由图1的系统实现的处理的示意性流程图；
图2示出了在一个实施例中被使用的MIMO信道矩阵；
图3示出了在一个实施例中被使用的啁啾序列的时间基础；
图4示出了在一个实施例中被使用的虚拟阵列配置；
图5示出了在一个实施例中被使用的角度多普勒贝塞尔模糊函数；
图6示出了一个实施例中的具有非相关相位中心速度的滤波器组输出；
图7示出了一个实施例中的用于不同的相位中心起点的滤波器组输出；以及
图8说明了一个实施例中的目标角度和轨迹变换。
具体实施方式
在以下内容中，相似的号码将被用于指示相似的元素。
非线性PCM虚拟MIMO
为了实现非线性PCM，或者天线元件被非线性地分布，并且在等距的时刻被开关，或者天线元件被线性地分布，并且调制方案必须是更先进的。从技术上讲，开关是二元幅度调制(AM)。因此，非线性PCM是一种类型的先进型AM。对于详细的调查研究，合适的信号模型是必要的。由于PCM可以被看作AM，并且使用了FMCW方案，所以系统模型可以被示出为图1中那样。技术人员将理解，FMCW方案仅是作为一个示例被使用的，并且本发明根本不限于FMCW。
阵列上的线示出了轨迹。如将看到的，存在发射轨迹设计和接收轨迹设计。发射轨迹设计涉及AM，并且接收轨迹设计涉及对依赖时间的数字滤波器的设计。
图1A提供了由图1的系统实现的处理的示意性流程图。在发射侧，初始地，本地振荡器操作为生成啁啾序列。啁啾序列经历幅度调制以生成发射轨迹。在入射到环境(包括一个或多个目标)中和从环境反射回来之后，体现关于这样的实体的距离、方位角、仰角和多普勒的数据的接收信号(轨迹)被接收和叠加。
在接收机侧，经叠加的接收轨迹被向下混合并且从模拟被转换到数字，以产生原始(轨迹)数据。原始数据经历慢时间和快时间处理，以生成距离对多普勒历史数据。根据这些，并且通过使用滤波器组，用于每个距离的轨迹相关器(滤波器)被选择，并且操作为产生M个四维日期矩阵。一旦被获取，则矩阵被求平均，并且其绝对值被确定。该操作的输出是距离、方位角、仰角和多普勒数据。
A.用于调频连续波(FMCW)的信号模型
如已知的，在频域中公式化用于信号传播的信号模型。MIMO模型使用信道矩阵S来在MIMO配置中对每个信号传播路径进行建模。如在图2中示出的那样，每个矩阵元素代表另一个信号路径。
如果阵列大小比目标与天线阵列之间的距离小得多，则对于均匀线性阵列，信道矩阵可以被写为以下方程：
Figure BDA0002025451830000091
其中，
Figure BDA0002025451830000092
Figure BDA0002025451830000093
k0＝ω0c0
f0是所发射的信号的载波频率，以及c0是光速。λ是波长，以及k0是波数。dRx和dTx分别是接收和发射天线元件之间的间隔。信道矩阵是第k个目标角度中k的函数。由于频域公式化和关于各向同性和非耦合式天线元件的假设，所接收的信号是具有用于第k个目标的特定的雷达横截面Ak和多普勒频移ωDk的多个目标的叠加。
Figure BDA0002025451830000101
其中，x(ω)代表发射阵列的输出向量，以及y(ω)是所接收的阵列的输入向量。*是卷积操作符，以及δ(ω)指代增量分布。就天线阵列与目标之间的巨大距离来说，信道矩阵包括仅非常小的相移。因此，时域中的信号模型可以被写为以下方程：
Figure BDA0002025451830000102
返回到PCM问题，目标是通过使用幅度调制来区分多个目标的多普勒和角度信息。必须考虑针对每个天线元件的AM，因此，x(t)被写为FMCW信号，由时间依赖系数对FMCW信号进行加权。向量wTx(t)代表AM。
Figure BDA0002025451830000103
其中，B是啁啾带宽，以及Tc是啁啾持续时间。如果AM比频率的变更(啁啾速率)慢得多，并且多普勒频率也非常低，则所接收的信号模型可以被公式化为以下方程：
Figure BDA0002025451830000104
接下来的步骤是对信号进行向下混合。经向下混合的信号yDM(t)被导出为以下方程
Figure BDA0002025451830000105
其中，
Figure BDA0002025451830000106
Figure BDA0002025451830000107
fBk是包括距离信息的第k个目标拍频。现在假设相位中心(PC)在一次频率扫描内保持不变。如果FMCW啁啾的序列被发送，则每个啁啾是与一个特定的相位中心相关的。这使快和慢时间处理能够被应用，以使得PCM信息处在多普勒域中。可以合理地假设多普勒频移在一次扫描内保持不变。因此，信号模型可以在时间离散域中被公式化以导出由以下方程给出的基带序列yBB：
Figure BDA0002025451830000111
现在，每Is采样对基带序列yBB进行切割，总计Ic个切割，并且由其形成矩阵。图3示出了矩阵以原始形式包含不同的码片信号。
为了简单起见，接收机的数量等于一(M＝1)。如果多普勒和相位中心运动(PCM)在一次扫描内近似保持不变，则然后从PCM和多普勒中分离出距离。可以如下面那样用向量表示法来写出距离多普勒矩阵MRD。
Figure BDA0002025451830000112
距离向量代表快时间向量，以及多普勒/PCM签名代表慢时间向量。快时间向量的傅里叶变换提供用于第k个目标的与距离相关联的拍频。多普勒签名yDS(ic)包含必须借助于PCM来提取的角度和多普勒信息。多普勒签名由以下方程给出
Figure BDA0002025451830000113
表述SkwTx(icTc)包含相位中心运动信息，并且该项实际上是发射天线阵列的组因子。对组因子进行的更深的研究提供相位中心信息。
B.PC和微小空间延迟滤波器
如在上面提到的，表述SkwTx(icTc)可以被看作发射阵列组因子GTx。
Figure BDA0002025451830000121
忽略时间依赖性导致产生离散空间傅里叶变换的表述，其中，dTx是空间采样，以及kx＝k0sin(φk)是空间频率，空间频率是辐射角度的函数。组因子的输出是复数，并且可以根据目标角度φ被划分成振幅和相位。根据定义，相位中心是由远离天线结构的观察者看到的辐射中心。因此，天线阵列可以被看作空间有限脉冲响应(FIR)滤波器，其中，组延迟等价于相位中心位置xPC，后者由以下方程给出
Figure BDA0002025451830000122
通用FIR滤波器的组延迟在特定的频带内很接近保持不变。对于相位中心，出现相同的保持不变的问题。频带等价于特定的视野(FOV)。组因子的振幅代表天线阵列的辐射模式，天线阵列的辐射模式可以被看作一个额外的设计参数。
一个针对空间微小延迟滤波器的示例涉及对于天线元件使用sinc类的幅度调制。
Figure BDA0002025451830000123
如果滤波器长度足够大，则辐射特性保持各向同性，并且相位中心可以在阵列内具有任何任意的位置。因此，有可能在均匀线性阵列内设计非线性相位中心运动。
C.虚拟MIMO和PCM
到现在为止，仅已经针对发射阵列讨论了如何移动相位中心。可以通过将依赖时间的接收加权向量wRx(ic)与接收信号向量yDS相乘，来针对接收阵列作出相同的讨论。结果是对接收组因子GRx的设计。后者由以下方程给出：
Figure BDA0002025451830000131
对wRx(ic)SkwTx(ic)的详细调查研究得出顺序空间滤波。可以导出，接收机和发射机的PC如下面那样被相加：
Figure BDA0002025451830000132
现在介绍虚拟MIMO概念。
图4示出了在一个实施例中被使用的虚拟阵列配置。
适于正弦函数的用于发射链的AM在实践中是难以达到的。对于发射部分，简单地取决于期望的PC位置地打开或者关闭天线。在Rx链中，在数字上非常容易设置类似于正弦函数的系数wRx。对于PC位置，为Rx获取实数，以及为Tx获取离散的一(取决于它们的相位中心位置，见图4)。产生的PC是
Figure BDA0002025451830000133
和
Figure BDA0002025451830000134
的叠加，并且因此，可以在阵列长度x0内调整任何实的相位中心位置。
如将在下面看到的，角分辨率取决于阵列大小x0。对于这样的方法，虚拟阵列大小是
Figure BDA0002025451830000135
正炫PCM
A.角度-多普勒区分
如在上面提到的，可以在阵列结构内自由地调整每个PC位置(以及因此每个PCM)，即使该结构是稀疏的。此外，已经示出了，PCM仅涉及幅度调制。根据实施例，可以任意地设计轨迹。根据本发明的实施例，这种情况得出多普勒签名yDS的以下表述。
Figure BDA0002025451830000136
为了简单起见，仅考虑正弦PCM的第k个目标多普勒签名。
Figure BDA0002025451830000137
如果使用了阵列内的仅一个正向和反向运动，则ωCPI可以被定义为以下方程：
Figure BDA0002025451830000141
定义：
Rk＝sin(φk)k0x0
Figure BDA0002025451830000142
为了分别提取φk或者Rk以及ωDk，设计了滤波器组，其中，p和q的每个组合是与一个滤波器相关的，因此：
Figure BDA0002025451830000143
其中，
Rp＝pπ
ωDq＝qωCPI
滤波器输出可以被计算为以下方程：
Figure BDA0002025451830000144
Figure BDA0002025451830000151
滤波器组输出具有离散贝塞尔函数特性。贝塞尔函数的阶数代表多普勒域，并且幅角是与目标角度相关联的。因此，贝塞尔函数为根据正弦PCM的角度-多普勒区分提供模糊函数。图5示出了在一个实施例中被使用的角度-多普勒贝塞尔模糊函数。一个优点在于，与TDM MIMO方法不同，这种技术可以区分相同距离多普勒筐内的多个目标。
对于多目标的情况，滤波器输出变成贝塞尔函数的叠加。
Figure BDA0002025451830000152
B.轨迹的正交性
关于贝塞尔函数众所周知的是它们是在频率上正交的。根据一个实施例的圆形技术中的贝塞尔特性起因于在阵列内使用正弦非线性PCM。因此，假设具有不同的频率的两个正弦轨迹与彼此正交是合理的。图6示出了针对未被匹配的轨迹的相关器组输出。所发射的轨迹具有两倍于滤波器组速度的角速度。
另一个实施例涉及对不同的相位中心起点的选取。例如，一个轨迹具有余弦非线性，以及另一个轨迹具有正弦非线性。图7示出了一个实施例中的针对不同的相位中心起点的滤波器组输出。图7示出了就正弦滤波器组来说对余弦轨迹的良好抑制。
引入多个轨迹需要并行的空间接收滤波器和先进型发射AM。
三维任意阵列结构内的任意轨迹
根据本发明的实施例的PCM技术不限于一维的阵列，并且不限于正弦的轨迹。如早先演示的，角度和多普勒区分的功能是通过使用轨迹方法来达到的。因此，可以考虑根据目标速度和目标角位置对所发射轨迹相位码进行的变换。在以下内容中，轨迹变换时的角度和多普勒区分通过使用圆形PCM技术而被解决，并且其可以被容易地扩展到任意轨迹。
如果分别存在(i)轨迹与角度或者(ii)轨迹与多普勒之间的这样的变换，以及此外，如已经提到的，轨迹与幅度调制之间的变换，则可以考虑逆向方法——其中，设计用于目标的信号码，以及然后分别设计合适的AM或者轨迹。相同的概念可以被用于利用轨迹的正交性。
角度区分
现在将考虑关于如何根据目标角度对轨迹进行变换的问题。用于多普勒签名的表述规定变换看起来像什么。多普勒签名由以下方程给出
Figure BDA0002025451830000161
对于一维的阵列，根据sin(φk)对轨迹xPC(ic)进行缩放或者变换。由于目标将天线阵列看作点源，所以所发射的场在辐射状的方向上辐射。传播向量可以被写为以下方程：
Figure BDA0002025451830000162
如果轨迹位于三维的阵列内，则必须利用三个向量分量来描述PCM：
Figure BDA0002025451830000163
因此，用于多普勒签名的更一般的表述是：
Figure BDA0002025451830000164
其中，·指代标量积。
图8示出了一个实施例中的目标角度和轨迹变换。如在图8中描绘的，轨迹是具有xy平面内的半径R并且具有角速度ωcirc的圆形。轨迹由以下方程描述：
Figure BDA0002025451830000165
在图8中，目标一在xz平面中具有其位置(φk＝φ1并且θk＝θ1)，以及目标二位于yz平面中(φk＝φ2并且θk＝θ2)。
用于PCM的多普勒签名的幅角可以被写为以下方程：
Figure BDA0002025451830000171
如果如上面那样地重新格式化PC轨迹，则可以看到，轨迹是根据目标角度被变换的。因此，目标一看到与被目标二看到的椭圆不同的椭圆。轨迹(因此，不同角度处的目标的相位码)是不同的。如果这些相位码与彼此正交，则角度区分是最优的。
B.多普勒区分
很接近地，目标速度可以被看作是在相干处理间隔(CPI)内保持不变的。在格式化多普勒签名时，多普勒被加到轨迹中，并且利用轨迹的时间渐增的偏移量对线性进行调整。因此：
Figure BDA0002025451830000172
多普勒偏移量ωDk是相位项中的斜率。论证是与角度区分相同的。如果多普勒频移将轨迹变换为使得轨迹或者相位码分别与另一个多普勒频移正交，则多普勒区分是最优的。此外，如果全部多普勒和角度变换将轨迹变换为使得轨迹的全部经变换的版本与彼此正交，则联合的角度-多普勒区分是最优的。如可以看到的，正弦方法提供良好的结果，见图5。
C.轨迹的正交性
如果轨迹变换提供轨迹之间的正交性，则还可以认为轨迹的正交性出现于相同距离、角度和多普勒筐内的目标。如之前提到的，圆形可以是与椭圆很接近正交的。不同的角速度也可以得出很接近的正交性。因此，还可以认为与彼此正交的任意轨迹出现。一个显著的优点在于，根据信号的设计正交，轨迹可以被看作一个新的自由度。
D.逆向方法
如早先指出的，如果存在目标相位码分别与AM或者轨迹设计之间的变换，则逆向方法可以被应用于本文中讨论的轨迹概念。

Claims (28)

1.一种用于使用多输入多输出MIMO雷达获取目标的角度多普勒签名的方法，所述MIMO雷达包括发射天线阵列，所述发射天线阵列是至少一维的并且具有多个天线元件，所述方法包括：
生成用于由所述发射天线阵列发送的发射信号，所述发射信号定义了所述发射天线阵列内的相位中心的至少第一发射轨迹；以及
使用所述发射天线阵列发送所述发射信号；
接收来自所述目标的接收信号，所述接收信号产生于所述发射信号入射在所述目标上；以及
根据所述接收信号来确定所述角度多普勒签名；
其特征在于，所述第一发射轨迹对应于所述发射信号的幅度调制AM，使得在操作中，所述相位中心在所述发射天线阵列内经历非线性运动。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述MIMO雷达包括接收天线阵列，所述接收天线阵列是至少一维的并且具有多个天线元件，其中：
从所述目标接收所述接收信号包括：使用所述接收天线阵列接收所述接收信号；并且
所述接收信号定义了所述接收天线阵列内的相位中心的至少第一接收轨迹。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一发射轨迹和所述第一接收轨迹相对应或者相同。
4.根据权利要求2或者3所述的方法，其中，所述第一接收轨迹与所述发射信号的幅度调制AM相对应。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述发射信号由以下方程给出：
Figure FDA0004104989740000011
其中，ω0是载波角频率，向量wTx(t)代表AM，B是啁啾带宽，以及Tc是啁啾持续时间。
6.根据权利要求1-3中的任一项所述的方法，其中，所述接收信号由以下方程给出：
Figure FDA0004104989740000021
其中，ω0是载波角频率，Sk是MIMO信道矩阵，Ak是第k个目标雷达横截面，ωDk是第k个目标多普勒频移，K是目标的总数，rk是目标距离，c0是光速，B是啁啾带宽，Tc是啁啾持续时间，并且向量wTx(t)代表AM。
7.根据权利要求6或者任何从属于其的权利要求所述的方法，还包括：向下混合所述接收信号y(t)以获取由以下方程给出的所向下混合的信号yDM(t)：
Figure FDA0004104989740000022
其中，
Figure FDA0004104989740000023
8.根据权利要求7所述的方法，还包括：将所向下混合的信号yDM(t)变换到离散时域以获取由以下方程给出的基带信号yBB(is)：
Figure FDA0004104989740000024
其中，ω0是载波角频率，ωBk是就FMCW来说的距离对应拍频，Sk是MIMO信道矩阵，Ak是第k个目标雷达横截面，ωDk是第k个目标多普勒频移，K是目标的总数，rk是目标距离，以及c0是光速。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括：从所述基带信号yBB(is)导出由以下方程给出的多普勒签名yDS(ic)：
Figure FDA0004104989740000031
其中，SkwTx(icTc)是由以下方程给出的所述发射天线阵列的组因子GTx：
Figure FDA0004104989740000032
其中，dTx是发射天线元件的元件间间隔，φk是第k个目标到达角度，wTxn是向量wTx的第n个元素，N是wTx内的元素的总数，以及k0是自由空间波数，并且其中，向量wTx包括所述发射相位中心。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一发射轨迹和/或第二发射轨迹是使用由以下方程定义的相位中心位置xPC形成的：
Figure FDA0004104989740000033
其中，kx＝k0sin(φk)。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第一发射轨迹和/或所述第二发射轨迹被形成为使得相应的相位中心的运动是成正弦的。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：根据以下方程从所述接收信号导出多普勒签名yDS(ic)：
Figure FDA0004104989740000034
其中，x0是阵列大小，ωCPI是用于相干处理间隔CPI的角频率，并且是由以下方程给出的：
Figure FDA0004104989740000035
13.根据权利要求1-3中的任一项所述的方法，其中，根据所述接收信号确定所述角度多普勒签名包括：使用滤波器组，其中，p和q的每个组合是与所述滤波器组的一个滤波器相关的，以使得每个滤波器由以下方程给出：
Figure FDA0004104989740000041
其中，
Rp＝pπ
ωDq＝qωCPI。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述滤波器组的输出被计算为：
Figure FDA0004104989740000042
其中，Rk＝sin(φk)k0x0。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：从所述滤波器组的输出的阶数，在正弦PCM的情况下优选地从贝塞尔函数的阶数导出所述多普勒。
16.根据权利要求14或者15所述的方法，还包括：从所述滤波器组的所述输出的幅角导出目标角度。
17.根据权利要求1-3中的任一项所述的方法，其中，所述至少第一发射轨迹包括至少第一发射轨迹和第二发射轨迹，和/或所述至少第一接收轨迹包括至少第一接收轨迹和第二接收轨迹。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第一接收轨迹的频率与所述第一发射轨迹的频率不同，和/或所述第二接收轨迹的频率与所述第二发射轨迹的频率不同。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第一接收轨迹的频率是所述第一发射轨迹的频率的一半，和/或所述第二接收轨迹的频率是所述第二发射轨迹的频率的一半。
20.根据权利要求17或者任何从属于其的权利要求所述的方法，其中，所述第一发射轨迹和所述第二发射轨迹具有不同的起点，和/或所述第一接收轨迹和所述第二接收轨迹具有不同的起点。
21.根据权利要求17或者任何从属于其的权利要求所述的方法，其中，所述第一发射轨迹是正弦和余弦中的一项，并且所述第二发射轨迹是正弦和余弦中的另一项，和/或所述第一接收轨迹是正弦和余弦中的一项，并且所述第二接收轨迹是正弦和余弦中的另一项。
22.根据权利要求2-3中的任一项所述的方法，其中，所述发射天线阵列和所述接收天线阵列是二维的，或者所述发射天线阵列和所述接收天线阵列是三维的。
23.根据权利要求1-3中的任一项所述的方法，其中，根据所述接收信号确定所述多普勒签名包括：将角度多普勒签名yDS(ic)确定为以下方程
Figure FDA0004104989740000051
其中，Ak是第k个目标雷达横截面，K是目标的总数，ωDk是第k个目标多普勒频移，Tc是啁啾持续时间，k0是自由空间波数，φk是第k个目标到达角度，xPC(ic)是x方向上的相位中心轨迹。
24.根据权利要求1-3中的任一项所述的方法，还包括：将角度多普勒签名yDS(ic)的幅角确定为：
Figure FDA0004104989740000052
Figure FDA0004104989740000061
其中，
Figure FDA0004104989740000062
是三维结构上的所述相位中心轨迹，k0是自由空间波数，以及φk是第k个目标到达角度；
以及基于所确定的
Figure FDA0004104989740000065
区分目标。
25.根据权利要求1-3中的任一项所述的方法，还包括：根据以下方程确定多普勒ωDk：
Figure FDA0004104989740000063
其中，
Figure FDA0004104989740000064
是三维结构上的所述相位中心轨迹，以及ωDk是第k个目标多普勒频移；
以及基于所确定的ωDk来区分目标。
26.一种用于使用多输入多输出MIMO雷达获取目标的角度多普勒签名的系统，所述系统包括：
发射天线阵列，所述发射天线阵列是至少一维的，并且具有多个天线元件；以及
处理电路，其被耦合到所述发射天线阵列，所述处理电路被配置为实现根据权利要求1到25中的任一项所述的方法。
27.根据权利要求26所述的系统，还包括：被耦合到所述处理电路的接收天线阵列，所述接收天线阵列是至少一维的并且具有多个天线元件。
28.一种存储指令的非暂时性计算机可读介质，所述指令在由处理电路执行时执行根据权利要求1到25中的任一项所述的方法。
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