CN109975806B - 基于阵元相位差的时分mimo雷达运动补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于阵元相位差的时分MIMO雷达的运动补偿方法，主要解决现有技术中时分MIMO雷达对运动目标角度测量不准确的问题。其实现步骤是：1)构建时分MIMO雷达的收发阵列，并确定收发阵元的收发时序；2)利用等效虚拟接收阵列的数据进行目标检测；3)利用相邻接收阵元的相位差构建相位补偿矢量；4)用构建的运动补偿矢量对目标检测结果进行相位校正；5)对校正后的数据进行数字波束形成处理，准确估计检测目标的角度。本发明实现了时分MIMO雷达的目标运动补偿，保证了被检测目标角度的准确估计，可用于汽车智能驾驶中对毫米波雷达运动补偿。

Description

基于阵元相位差的时分MIMO雷达运动补偿方法
技术领域
本发明属于雷达技术领域，尤其涉及一种时分MIMO雷达运动补偿方法,可用于汽车智能驾驶中对毫米波雷达运动补偿。
背景技术
在汽车智能安全驾驶技术中，毫米波雷达凭借自身的全天时、全天候工作的优势，成为确保汽车安全驾驶传感器组中必不可少的传感器。同时，随着技术的不断推进，汽车安全驾驶对毫米波雷达提出了更高的分辨率要求。距离分辨率的提高可以通过增大发射信号的带宽来实现，角度分辨率的提高可以通过增大天线孔径来实现。多输入多输出MIMO技术被认为是增加天线孔径的一项重要技术。MIMO技术可以在有限的阵元个数的情况下，通过扩展虚拟孔径来增加天线的孔径，提高雷达的角度分辨。从而，满足汽车雷达小体积、少天线、高分辨率的要求。MIMO雷达要求发射正交波形，传统的MIMO波形有频分复用FDM、时分复用TDM和码分复用CDM波形。考虑到MIMO汽车雷达的实现复杂度和成本限制，采用基于时分复用TDM技术的MIMO雷达是一种可行的解决方案。但是，通过TDM技术实现的MIMO雷达缺点在于：在不同的发射阵元切换时间段内由于目标相对运动引起的相位变化量会耦合到各接收阵元上，影响角度的正确测量。为了确保运动目标角度测量的准确性，需要在角度测量之前对目标运动引起的相位项进行补偿。
目前，国内外机构开展了TDM-MIMO雷达的运动目标的相位补偿方法研究，主要有以下几种方法：
1、C.M.Schmid等人在其发表的论文“Motion compensation and efficientarray design for TDMA FMCW MIMO radar systems，”(European Conference onAntennas and Propagation IEEE,2012:1746-1750)中提出重叠虚拟阵元的方法进行运动目标相位补偿。具体方案是：通过有效的阵列设计，形成重叠的虚拟阵元，利用重叠的虚拟阵元提取目标运动引起的相位，从而对天线阵列进行相位补偿。这种方法可以有效的对目标运动引起的相位进行补偿，但是，重叠阵元的存在减小了虚拟天线阵列的有效孔径，降低了雷达的角度分辨率，即这种方法是以牺牲一定的阵列孔径为代价来达到运动补偿的效果的。
2、Z.Dominik等人在其发表的论文“Phase migration effects in movingtarget localization using switched MIMO arrays.European radar conference(2015):85-88.”(European radar conference(2015):85-88)中提出“用单个天线接收的信号估计目标运动速度，从而计算目标运动引入的相位项，最后对目标回波信号进行相位补偿”的思路。这种方法的关键在于准确估计探测目标的速度，利用估计出的速度计算目标运动引起的相位项，构建相位补偿矩阵，速度估计的准确性直接影响运动补偿效果，同时也会影响目标角度测量的准确性，此外由于这种方法在求解目标运动速度的过程中，只利用了单个天线接收目标的回波信号，对于低信噪比目标，单个天线接收的目标回波信号能量较小甚至淹没在噪声里，此时，将无法探测到目标，因而无法进行后续的目标速度计算及相位补偿处理。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于阵元相位差的时分MIMO雷达的运动补偿方法，以在最大化利用阵列孔径的情况下，完成对运动目标角度的准确测量，并避免速度估计的准确性对角度估计准确性的影响。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
(1)设时分MIMO雷达有M个发射阵元和N个接收阵元，形成MN个等效虚拟接收阵元，且相邻的发射天线间距Dt与相邻的接收天线间距dr满足关系式：Dt＝N·dr；
(2)设M个发射阵元按空间顺序依次发射信号，在每个发射阵元工作时间内，N个接收阵元同时接收信号，在一个发射周期内分离出MN路接收数据，重复L个周期，分离出L组MN路接收数据；
(3)对L组MN路接收数据依次进行去调频、距离维FFT、多普勒维FFT、非相干积累、恒虚警检测、质心凝聚处理，检测出K个目标，对每一个检测目标构建检测单元向量Sp：
Sp＝[S11(vp,rp),S12(vp,rp),...S1N(vp,rp),S21(vp,rp),S22(vp,rp),...S2N(vp,rp),...,SM1(vp,rp),SM2(vp,rp),...SMN(vp,rp)]其中，检测单元向量Sp分量的行标从1变化到M，列标从1变化到N，p的取值范围为1≤p≤K，K为大于0的整数，vp为被检测目标多普勒维的索引号，rp为被检测目标距离维的索引号；
(4)利用相邻接收阵元的相位差求构建相位补偿矩阵：
(4a)利用检测单元向量Sp计算MN个虚拟接收阵元相邻阵元间的相位差：
Figure BDA0002027340950000031
其中：
Figure BDA0002027340950000032
表示的是第i个虚拟接收阵元和第i+1个虚拟接收阵元的相位差，i＝1，2,…,MN-1，Si表示的是检测单元向量的第i个分量，“*”表示的是求共轭，angle[]表示的是求相位；
(4b)根据相位差
Figure BDA0002027340950000033
计算相邻阵元的固有空间相位差的平均值
Figure BDA0002027340950000034
Figure BDA0002027340950000035
(4c)计算运动目标在第j+1个虚拟接收阵元上的引起的相位项
Figure BDA0002027340950000036
Figure BDA0002027340950000037
(4d)计算目标运动引起的耦合到虚拟接收阵元上的相位校正项
Figure BDA0002027340950000038
Figure BDA0002027340950000039
(4e)根据相位校正项
Figure BDA00020273409500000310
构建相位补偿向量φc：
Figure BDA00020273409500000311
其中，相位补偿向量φc一共包含MN个分量，这些分量又包括M组值，每组值又具有N项；
(5)用构建的运动补偿向量对检测单元向量进行相位校正，得到相位校正后的检测单元向量：
Figure BDA0002027340950000041
(6)对校正后的检测单元向量Spc进行数字波束形成DBF处理，得到一个被检测目标的准确角度；
(7)重复步骤(4)到步骤(6)，得到K个被检测目标的准确角度。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，由于本发明是直接利用相邻阵元间的相位差来估计目标运动引起的相位补偿项，在阵列设计时不需要形成冗余的虚拟阵元，最大化的利用了阵列的孔径，在保证准确估计目标角度的同时，提高了角度分辨率。
第二，由于本发明是直接利用相邻阵元间的相位差来估计目标运动引起的相位补偿项，在估计目标角度时不需要知道目标的准确速度，避免了现有技术中，速度估计准确性对角度估计准确性的影响。
附图说明
图1是本发明的实现流程图。
图2是本发明时分MIMO雷达阵元排布示意图。
图3是本发明时分MIMO雷达收发天线的时序图。
图4是采用本发明前后对多个目标进行角度估计的仿真对比图。
图5是用本发明对多个目标进行角度估计的均方根误差随信噪比变化曲线图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明的具体实施过程和效果作进一步的说明。
参照图1，对本发明的实施步骤如下。
步骤1，构造时分MIMO雷达的收发阵列。
参照图2，设时分MIMO雷达包含M个发射阵元，N个接收阵元，发射天线采用均匀稀布方式布阵，接收天线采用均匀密布方式布阵，且相邻的发射天线之间的间距Dt与相邻的接收天线之间的间距dr满足关系式Dt＝N·dr，使时分MIMO雷达形成包含MN个等效虚拟阵元的均匀线阵，该虚拟阵元的位置
Figure BDA0002027340950000042
其中Rt＝{0,Dt,...,(M-1)·Dt}是发射阵元的位置，Rr＝{0,dr,...,(N-1)·dr}是接收阵元的位置，
Figure BDA0002027340950000051
表示的是克罗内克积。
步骤2，确定时分MIMO雷达收发天线的时序。
参照图3，设时分MIMO雷达中M个发射阵元按空间顺序依次发射线性调频连续波信号，在每一个阵元工作时间Tr内，N个接收阵元同时接收信号，在一个发射周期内MN个虚拟阵元接收MN路数据，重复L个发射周期，接收了L组MN路数据。
步骤3，利用虚拟接收阵元的数据进行目标检测。
本步骤的具体实现如下：
(3a)对L组MN路接收数据去调频处理，在第l个发射周期内，由第m个发射阵元发射信号，并由第n个阵元接收的回波信号，对回波信号经过去调频处理，得到对应的差拍信号smn(l,t)，其中：1≤m≤M，1≤n≤N，1≤l≤L，0＜t＜Tr；
(3b)对差拍信号smn(l,t)进行离散采样得到数字信号，并对数字信号沿着距离维进行FFT处理，得到处理后的数据Smn(l,cr)，cr表示的是距离单元；
(3c)对距离维FFT处理后的数据Smn(l,cr)沿着速度维进行FFT处理，得到距离多普勒数据矩阵Smn(cv,cr)，cv表示的是多普勒单元；
(3d)重复(3b)-(3c)，得到MN个距离多普勒数据矩阵，对MN个距离多普勒数据矩阵进行非相干积累处理，得到非相干积累数据矩阵S：
Figure BDA0002027340950000052
(3e)对非相干积累后的数据矩阵S进行恒虚警检测，得到恒虚警检测数据矩阵Scfar(cv,cr)；
(3f)对恒虚警检测数据矩阵Scfar(cv,cr)进行质心凝聚处理，检测出K个目标，记录这些目标所在的检测单元坐标序号(vp,rp)，其中vp为被检测目标多普勒维的索引号，rp为被检测目标距离维的索引号，p的取值范围为1≤p≤K；
(3g)对每一个检测目标，提取MN个距离多普勒维矩阵Smn(cv,cr)在坐标序号(vp,rp)下的数据，按虚拟接收阵列的空间顺序得到检测单元向量Sp：
Sp＝[S11(vp,rp),S12(vp,rp),...S1N(vp,rp),S21(vp,rp),S22(vp,rp),...S2N(vp,rp),...,SM1(vp,rp),SM2(vp,rp),...SMN(vp,rp)]。
步骤4，利用相邻接收阵元的相位差构建相位补偿矩阵。
本步骤的具体实现如下：
(4a)利用检测单元向量Sp计算MN个虚拟接收阵元相邻阵元间的相位差：
Figure BDA0002027340950000061
其中：
Figure BDA0002027340950000062
表示的是第i个虚拟接收阵元和第i+1个虚拟接收阵元的相位差，i＝1，2,…,MN-1，Si表示的是检测单元向量的第i个分量，“*”表示的是求共轭，angle[]表示的是求相位；
(4b)根据相位差
Figure BDA0002027340950000063
计算相邻阵元的固有空间相位差的平均值
Figure BDA0002027340950000064
Figure BDA0002027340950000065
(4c)计算运动目标在第j+1个虚拟接收阵元上的引起的相位项
Figure BDA0002027340950000066
Figure BDA0002027340950000067
(4d)计算目标运动引起的耦合到虚拟接收阵元上的相位校正项
Figure BDA0002027340950000068
Figure BDA0002027340950000069
(4e)根据相位校正项
Figure BDA00020273409500000610
构建相位补偿向量φc：
Figure BDA00020273409500000611
其中，相位补偿向量φc一共包含MN个分量，这些分量又包括M组值，每组值又具有N项。
步骤5，用构建的运动补偿向量对检测单元向量进行相位校正，得到相位校正后的检测单元向量：
Figure BDA0002027340950000071
步骤6，对校正后的数据Spc进行数字波束形成DBF处理。
用DBF的权矢量对检测单元向量Sp进行加权求和得到方向图函数W(θ)，当DBF权矢量与检测目标方向匹配时，方向图函数W(θ)出现最大值，该最大值对应的角度θ为被检测目标的角度。
步骤7，重复步骤(4)到步骤(6)，得到K个被检测目标的准确角度。
下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步说明。
1.仿真条件：
1)环境配置：本发明仿真实验中计算机配置环境为Intel(R)Core(i5-4210)1.70GHZ中央处理器、内存4G、WINDOWS 7操作系统，计算机仿真软件采用MATLAB R2017b软件。
2)仿真参数设置
2a)时分MIMO雷达的收发阵列仿真参数：
时分MIMO雷达包含3个发射阵元和4个接收阵元，接收阵元间距dr＝0.5λ，发射阵元间距Dt＝2λ；
2b)时分MIMO雷达的波形仿真参数：
发射信号的载频为77GHZ，带宽为500M，脉宽30us,积累周期32；
2c)被检测目标仿真参数：
被检测目标的距离、速度、方位分别为R＝[100m,120m]，V＝[18km/h,36km/h]，theta＝[0°,30°]；
2.仿真实验内容：
仿真1：在上述仿真参数条件下，仿真采用本发明进行运动补偿后的测角结果和未采用本发明进行运动补偿的测角结果，结果如图4所示。其中横坐标表示角度，单位为度，纵坐标表示归一化幅度，单位为dB,实线和点线分别对应着速度V1＝18km/h、速度V2＝36km/h的两个目标采用本发明进行运动补偿后角度估计仿真结果，虚线和点划线分别对应着两目标未采用本发明得到的角度估计仿真结果。
从图4中可以看出，采用本发明后，两个目标波束角度分别是0°、30°，未采用本发明后，两目标波束角度分别是2.0°、34.7°，说明通过本发明的方法进行运动补偿后，能够精确的估计出目标的角度。
仿真2：在上述仿真参数条件下，当信噪比SNR取不同值时，采用本发明方法进行目标运动补偿后测角，每个信噪比下分别进行100次蒙特卡洛仿真实验，得到角度仿真均方根误差，结果如图5所示。其中横坐标表示信噪比，单位为分贝，纵坐标表示目标的方位角均方根误差，单位为度，菱形标示的曲线是目标V1＝18km/h进行目标运动补偿后测角的均方根误差随信噪比变化的曲线，正方形标示的曲线是目标V2＝36km/h进行目标运动补偿后测角的均方根误差随信噪比变化的曲线。
从图5中可以看出，采用本发明进行目标运动补偿测角的均方根误差随信噪比的提高在减小，在大于5dB时，估计值更精准，且趋于稳定。

Claims (3)

1.一种基于阵元相位差的时分MIMO雷达运动补偿方法，其特征在于，包括如下：
(1)设时分MIMO雷达有M个发射阵元和N个接收阵元，形成MN个等效虚拟接收阵元，且相邻的发射天线间距Dt与相邻的接收天线间距dr满足关系式：
Dt＝N·dr；
(2)设M个发射阵元按空间顺序依次发射信号，在每个发射阵元工作时间内，N个接收阵元同时接收信号，在一个发射周期内分离出MN路接收数据，重复L个周期，分离出L组MN路接收数据；
(3)对L组MN路接收数据依次进行去调频、距离维FFT、多普勒维FFT、非相干积累、恒虚警检测、质心凝聚处理，检测出K个目标，对每一个检测目标构建检测单元向量Sp，实现步骤如下：
(3a)对L组MN路接收数据去调频处理，在第l个发射周期内，由第m个发射阵元发射信号，并由第n个阵元接收的回波信号，对回波信号经过去调频处理，得到对应的差拍信号smn(l,t)，其中：1≤m≤M，1≤n≤N，1≤l≤L，0＜t＜Tr，Tr为以发射阵元的工作时间；
(3b)对差拍信号smn(l,t)进行离散采样得到数字信号，并对数字信号沿着距离维进行FFT处理，得到处理后的数据Smn(l,cr)，cr表示的是距离单元；
(3c)对距离维FFT处理后的数据Smn(l,cr)沿着速度维进行FFT处理，得到距离多普勒数据矩阵Smn(cv,cr)，cv表示的是多普勒单元；
(3d)重复步骤(3b)-(3c)，得到MN个距离多普勒数据矩阵，对MN个距离多普勒数据矩阵进行非相干积累处理，得到非相干积累数据矩阵S：
Figure FDA0004047234620000011
(3e)对非相干积累后的数据矩阵S进行恒虚警检测，得到恒虚警检测数据矩阵Scfar(cv,cr)；
(3f)对恒虚警检测数据矩阵Scfar(cv,cr)进行质心凝聚处理，检测出K个目标，记录这些目标所在的检测单元坐标序号(vp,rp)，其中vp为被检测目标多普勒维的索引号，rp为被检测目标距离维的索引号，p的取值范围为1≤p≤K；
(3g)对每一个检测目标，提取MN个距离多普勒维矩阵Smn(cv,cr)在坐标序号(vp,rp)下的数据，按虚拟接收阵列的空间顺序得到检测单元向量Sp：
Sp＝[S11(vp,rp),S12(vp,rp),...S1N(vp,rp),S21(vp,rp),S22(vp,rp),...S2N(vp,rp),...,SM1(vp,rp),SM2(vp,rp),...SMN(vp,rp)]，
其中，检测单元向量Sp分量的行标从1变化到M，列标从1变化到N，p的取值范围为1≤p≤K，K为大于0的整数，vp为被检测目标多普勒维的索引号，rp为被检测目标距离维的索引号；
(4)利用相邻接收阵元的相位差构建相位补偿矢量：
(4a)利用检测单元向量Sp计算MN个虚拟接收阵元相邻阵元间的相位差：
Figure FDA0004047234620000021
其中：
Figure FDA0004047234620000022
表示的是第i个虚拟接收阵元和第i+1个虚拟接收阵元的相位差，i＝1，2,…,MN-1，Si表示的是检测单元向量的第i个分量，“*”表示的是求共轭，angle[]表示的是求相位；
(4b)根据相位差
Figure FDA0004047234620000028
计算相邻阵元的固有空间相位差的平均值
Figure FDA0004047234620000023
Figure FDA0004047234620000024
(4c)计算运动目标在第j+1个虚拟接收阵元上的引起的相位项
Figure FDA0004047234620000025
Figure FDA0004047234620000026
(4d)计算目标运动引起的耦合到虚拟接收阵元上的相位校正项
Figure FDA0004047234620000029
Figure FDA0004047234620000027
(4e)根据相位校正项
Figure FDA0004047234620000031
构建相位补偿向量φc：
Figure FDA0004047234620000032
其中，相位补偿向量φc一共包含MN个分量，这些分量又包括M组值，每组值又具有N项；
(5)用构建的运动补偿向量对检测单元向量进行相位校正，得到相位校正后的检测单元向量：
Figure FDA0004047234620000033
(6)对校正后的检测单元向量Spc进行数字波束形成DBF处理，得到一个被检测目标的准确角度；
(7)重复步骤(4)到步骤(6)，得到K个被检测目标的准确角度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：(1)中形成的MN个虚拟接收阵元，其位置
Figure FDA0004047234620000034
Rt＝{0,Dt,...,(M-1)·Dt}是发射阵元的位置，Rr＝{0,dr,...,(N-1)·dr}是接收阵元的位置，
Figure FDA0004047234620000035
表示的是克罗内克积。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于：(6)中数字波束形成DBF处理，是用DBF的权矢量对检测单元向量Sp进行加权求和得到方向图函数W(θ)，当DBF权矢量与检测目标方向匹配时，方向图函数W(θ)出现最大值，此时对应的角度θ是被检测目标的角度。
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