CN110018452A - 使用虚拟接收信号的生成来估计到达方向的方法和设备 - Google Patents

使用虚拟接收信号的生成来估计到达方向的方法和设备 Download PDF

Info

Publication number
CN110018452A
CN110018452A CN201910003902.3A CN201910003902A CN110018452A CN 110018452 A CN110018452 A CN 110018452A CN 201910003902 A CN201910003902 A CN 201910003902A CN 110018452 A CN110018452 A CN 110018452A
Authority
CN
China
Prior art keywords
antenna
signal
virtual
reception
forsingals
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910003902.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110018452B (zh
Inventor
姜锡贤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hyundai Mobis Co Ltd
Original Assignee
Hyundai Mobis Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hyundai Mobis Co Ltd filed Critical Hyundai Mobis Co Ltd
Publication of CN110018452A publication Critical patent/CN110018452A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110018452B publication Critical patent/CN110018452B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/0252—Radio frequency fingerprinting
    • G01S5/02521—Radio frequency fingerprinting using a radio-map
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/02—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using radio waves
    • G01S3/14—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction
    • G01S3/46—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using antennas spaced apart and measuring phase or time difference between signals therefrom, i.e. path-difference systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/06—Systems determining position data of a target
    • G01S13/42—Simultaneous measurement of distance and other co-ordinates
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/02—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using radio waves
    • G01S3/04—Details
    • G01S3/12—Means for determining sense of direction, e.g. by combining signals from directional antenna or goniometer search coil with those from non-directional antenna
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/02—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using radio waves
    • G01S3/14—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction
    • G01S3/28—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using amplitude comparison of signals derived simultaneously from receiving antennas or antenna systems having differently-oriented directivity characteristics
    • G01S3/30—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using amplitude comparison of signals derived simultaneously from receiving antennas or antenna systems having differently-oriented directivity characteristics derived directly from separate directional systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/02—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using radio waves
    • G01S3/14—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction
    • G01S3/28—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using amplitude comparison of signals derived simultaneously from receiving antennas or antenna systems having differently-oriented directivity characteristics
    • G01S3/32—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using amplitude comparison of signals derived simultaneously from receiving antennas or antenna systems having differently-oriented directivity characteristics derived from different combinations of signals from separate antennas, e.g. comparing sum with difference
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/28—Details of pulse systems
    • G01S7/2813—Means providing a modification of the radiation pattern for cancelling noise, clutter or interfering signals, e.g. side lobe suppression, side lobe blanking, null-steering arrays
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/41—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00 using analysis of echo signal for target characterisation; Target signature; Target cross-section
    • G01S7/411—Identification of targets based on measurements of radar reflectivity
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/35—Details of non-pulse systems
    • G01S7/352—Receivers
    • G01S7/356—Receivers involving particularities of FFT processing

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

一种使用虚拟接收信号的生成来估计到达方向的方法和设备，所述方法包括：在多个实际天线的预设位置生成预设数量的虚拟天线；生成从虚拟天线接收的接收信号；以及使用从虚拟天线接收的接收信号和从实际天线接收的接收信号通过DOA估计算法，来生成DOA估计值。

Description

使用虚拟接收信号的生成来估计到达方向的方法和设备
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年1月8日提交的韩国申请号10-2018-0002532的优先权，该申请的全部内容通过引用结合于此。
技术领域
本发明涉及一种使用虚拟接收信号的生成来估计到达方向(DOA)的方法和设备，更具体地，涉及一种使用虚拟接收信号的生成来估计DOA的方法和设备，其能够通过使用基于均匀线性阵列(uniform linear array，ULA)的虚拟天线生成非均匀线性阵列(NLA)来估计DOA。
背景技术
在汽车雷达中，当前面的两辆车在距离雷达传感器相同的距离处彼此相邻时，雷达必须能够识别出前面有两辆车，而不是一辆车。如果目标的速度和范围相似，准确估计从目标接收的接收信号的DOA以分离多个目标是很重要的。高分辨率接收信号DOA估计算法已经研究了几十年，例如，多信号分类(multiple signal classification，MUSIC)算法和经由旋转不变性技术(ESPRIT)算法估计信号参数。最近，Bartlett算法比MUSIC算法受到信噪比(SNR)的影响小受到了广泛的关注并且广泛应用。
当使用ULA型天线来搜索目标时，需要窄主波束宽度和低旁瓣(low side lobe)，以实现精确的分辨率和高精度。当天线阵列的孔径较宽时，主瓣的波束宽度较窄。窄波束宽度可以识别紧密相邻的目标。然而，可能会出现旁瓣和栅瓣(grating lobe)并阻止目标的定位。此外，天线阵列的宽孔径占据了过大的空间。
在题为“Direction-of-Angle Estimation Apparatus and Direction-of-AngleEstimation Method Using the Same”的韩国专利申请公开号10-2016-0144446(2016.11.23)中公开了本发明的背景技术。
发明内容
优选地增加天线数量，以提高测量雷达接收信号DOA的分辨率。然而，如果实际物理天线的数量增加，则天线占用的空间会变得更大。因此，代替增加实际天线的数量，可以通过使用实际天线制造虚拟天线来获得增加天线总数的效果，但是该方法具有局限性，因为可以增加的虚拟天线的数量受到实际天线数量的影响。
本发明的实施方式涉及一种用于使用虚拟接收信号的生成来估计接收信号的DOA的方法和设备，与相关技术相比，该方法和设备可以增加能够在ULA天线环境中扩展的虚拟天线的数量，在有限的天线孔径尺寸下具有窄波束宽度和低旁瓣，不生成栅瓣，并且还提高接收信号的DOA分辨率。
在一个实施方式中，一种使用虚拟接收信号的生成的接收信号DOA估计方法可以包括：在多个实际天线的预设位置生成预设数量的虚拟天线；生成从所述虚拟天线接收的接收信号；以及使用从所述虚拟天线接收的接收信号和从所述实际天线接收的接收信号通过DOA估计算法，来生成DOA估计值。
所述虚拟天线可以设置在所述实际天线之间或者所述实际天线外部。
所述虚拟天线能够以不相等的间距设置，而与所述实际天线的位置无关。
可以至少考虑信噪比(SNR)和天线间隔来设置所述设定数量。
所述虚拟天线的生成可以包括：根据视场(FOV)角度范围设置区段，通过所设置的区段来生成变换矩阵，并且通过使用所生成的变换矩阵来生成从所述虚拟天线接收的接收信号通过组合从所述虚拟天线接收的接收信号和从所述实际天线接收的接收信号来生成相关矩阵，通过使用所生成的相关矩阵来生成角度估计谱，并且生成所述DOA估计值；以及通过使用DOA估计值的均方根误差(RMSE)来确定设定位置。
确定所述设定位置可以包括基于旁瓣和栅瓣的面积以及所述DOA估计值的精度中的至少一者来确定所述设定位置。
可以基于接收信号之间的关系，通过使用线性最小二乘法(LLS)获得所述变换矩阵。
所述DOA估计算法可以是Bartlett伪算法。
在另一实施方式中，一种使用虚拟接收信号的生成的接收信号DOA估计设备可以包括：ULA接收天线，所述ULA接收天线包括多个实际天线；接收单元，被配置为从通过所述ULA接收天线的所述实际天线接收的接收信号中提取预定信号，并且将所提取的信号转换成数字信号；以及信号处理单元，被配置为：从所述接收单元接收所述数字信号，生成从在预设位置处设置的预设数量的虚拟天线接收的接收信号，并且使用从所述实际天线接收的接收信号和从所述虚拟天线接收的接收信号通过DOA估计算法，来生成DOA估计值。
所述虚拟天线设置在所述实际天线之间或所述实际天线外部。
所述虚拟天线以不相等的间距设置，而与所述实际天线的位置无关。
可以至少考虑信噪比(SNR)和天线间隔来设置所述设定数量。
所述信号处理单元可以被配置为：根据视场(FOV)角度范围设置区段，通过所设置的区段来生成变换矩阵，通过使用所生成的变换矩阵来生成从所述虚拟天线接收的接收信号，通过组合从所述虚拟天线接收的接收信号和从所述实际天线接收的接收信号来生成相关矩阵，通过使用所生成的相关矩阵来生成角度估计谱(angle estimation spectrum)，生成所述DOA估计值，并且通过使用所述DOA估计值的均方根误差(RMSE)来确定设定位置。
所述信号处理单元可以被配置为基于旁瓣和栅瓣的面积以及所述DOA估计值的精度中的至少一者来确定所述设定位置。
可以基于接收信号之间的关系，通过使用线性最小二乘法(LLS)获得所述变换矩阵。
所述DOA估计算法可以是Bartlett伪算法。
附图说明
图1示出了ULA天线的无线电信号接收，其中，N个天线以ULA的形式设置。
图2是根据本发明的实施方式的使用虚拟接收信号的生成的DOA估计设备的方框图。
图3是根据本发明的实施方式的使用虚拟接收信号的生成的DOA估计方法的流程图。
图4是示出图3的流程图的步骤S200的具体执行过程的示图。
图5是示出图3的流程图的步骤S400的具体执行过程的示图。
图6是示出图3的流程图的步骤S500的具体执行过程的示图。
图7是示出DOA估计值的计算过程的示图。
图8是示出根据本发明的实施方式的使用虚拟天线增加虚拟天线接收信号的方法的概念图。
图9是示出根据本发明的实施方式的当区段(sector)被设置为[-15°，15°]时的Bartlett伪频谱的示图。
图10是示出根据本发明的实施方式的当区段被设置为[-5°，5°]时的Bartlett伪频谱的示图。
图11是示出根据本发明的实施方式的均方根误差变化的曲线图。
具体实施方式
如相应领域中传统的那样，一些示例性实施方式可以在附图中以功能块、单元和/或模块的形式示出。本领域普通技术人员将理解，这些块、单元和/或模块由电子(或光学)电路物理地实现，例如，逻辑电路、分立元件、处理器、硬连线电路、存储元件、布线连接等。当这些块、单元和/或模块由处理器或类似硬件实现时，可以使用软件(例如，代码)对其进行编程和控制，以执行本文中讨论的各种功能。或者，每个块、单元和/或模块可以由专用硬件实现，或者作为执行某些功能的专用硬件和执行其他功能的处理器(例如，一个或多个编程处理器和相关电路)的组合来实现。在不脱离本发明构思的范围的情况下，一些示例性实施方式的每个块、单元和/或模块可以物理地分离成两个或更多个相互作用和离散的块、单元和/或模块。此外，在不脱离本发明构思的范围的情况下，一些示例性实施方式的块、单元和/或模块可以物理地组合成更复杂的块、单元和/或模块。
在下文中，将参考附图详细描述根据本发明的实施方式的用于使用虚拟接收信号的生成来估计到达方向(DOA)的方法和设备。应该注意的是，附图不是按精确比例绘制的，仅仅为了描述的方便和清楚，可能会在线条的厚度或部件的尺寸上放大。此外，本文中使用的术语是通过考虑本发明的功能来定义的，并且可以根据用户或操作者的习惯或意图来改变。因此，应根据本文所述的总体公开内容进行术语的定义。
图1示出了ULA天线的无线电信号接收，其中，N个天线以ULA的形式布置，图2是根据本发明的实施方式的使用虚拟接收信号的生成的DOA估计设备的方框图，图3是根据本发明的实施方式的使用虚拟接收信号的生成的DOA估计方法的流程图，图4是示出图3的流程图的步骤S200的具体执行过程的示图，图5是示出图3的流程图的步骤S400的具体执行过程的示图，图6是示出图3的流程图的步骤S500的具体执行过程的示图，图7是示出DOA估计值的计算过程的示图，图8是示出根据本发明的实施方式的使用虚拟天线增加虚拟天线接收信号的方法的概念图。
图1示出了N个天线接收从ULA天线中的前方目标反射的无线电信号，这些天线在一行中以相等的间距d间隔开。在这种ULA天线中，接收信号x(t)可以表示为如下：
x(t)＝As(t)+n(t)...(1)
x(t)＝[x1(t)，x2(t)，…，xN(t)]T，[.]T是转置算子，以及N是天线的数量。A＝[a(θ1)，a(θ2)，…，a(θL)]是转向矩阵。转向矩阵由如下的转向矢量a(θi)组成：
L是目标的数量，λ是天线的接收信号的波长，di是到第i个天线的距离，d1＝0，d2＝d，…，dN＝(N-1)d，因为ULA用于本发明的实施方式中，并且d是天线间隔。s(t)＝[s1(t)，s2(t)，…，sL(t)]T表示时间t处的Lx1入射信号矢量，n(t)＝[n1(t)，n2(t)，…，nN(t)]T表示零均值化高斯白噪声矢量(zero mean white Gaussian noise vector)，并且θi是由与ULA天线布置的延长线形成直角的直线和从每个天线接收的入射信号矢量形成的角度。
接收信号的自相关矩阵可以如下估计：
Rxx＝E[x(t)·xH(t)]...(3)
E[·]表示期望(expectation)，Rxx表示接收信号x(t)的相关矩阵，并且(·)H表示共轭转置算子。如果信号是遍历(ergodic)的(经过一段相当长的时间后，一个系统处于返回到与初始状态几乎相似的状态的条件下)，总体平均值可以表示为时间平均值，并且因此，可以使用时间平均值计算自相关矩阵Rxx。
K是时间样本的数量。
Bartlett算法的目标是确定加权矢量，该矢量最大化接收信号的功率，同时持续保持噪声的大小。阵列输出可以表示为通过将加权矢量w乘以接收信号而获得的值。
y(t)＝wHx(t)...(5)
w是Nx1加权矢量，并且y(t)是接收信号的加权输出。如果信号以角度θ入射，阵列输出可以表示如下：
并且表示噪音扩散。|w|＝1，以便持续保持噪声分量的大小。因此，方程(6)的解如下：
Bartlett算法的输出频谱可以表示如下：
图2是根据本发明的实施方式的使用虚拟接收信号的生成的DOA估计设备的方框图。
根据本发明的实施方式的使用虚拟接收信号的生成的DOA估计设备可以包括：连接到ULA接收天线30的接收单元40、连接到ULA发送天线10的发送单元20、以及连接到发送单元20和接收单元40的信号处理单元50。雷达系统还可以包括连接到信号处理单元50的用户界面60。
ULA接收天线30和ULA发送天线10可以包括多个天线。特别地，ULA接收天线30可以具有多个天线以相等的间隔排成一行的ULA天线布置。当通过发送天线10发送的射频信号从前方目标反射时，返回的反射信号可以由ULA接收天线30接收。
发送单元20通过发送天线10向前方目标无线发送雷达信号。在一个实施方式中，发送单元20可以包括波形发生器24、振荡器26和功率放大器28。波形发生器24可以基于信号处理单元50提供的数字发送信号，生成具有带期望周期和形状的模拟波形的信号。例如，波形发生器24可以向振荡器26提供具有三角波形的解调信号(三角波)，作为发送信号。振荡器26可以将波形发生器24生成的发送信号转换成具有高频的射频(RF)信号，以便进行无线发送。例如，振荡器26可以对波形发生器24提供的发送信号进行频率调制。此外，振荡器26可以将转换后的RF信号作为参考信号提供给接收单元40的混频器44。功率放大器28可以将振荡器26输出的RF信号放大成发送所需的功率，并将放大的RF信号提供给发送天线10。振荡器26可以由例如压控振荡器(VCO)配置。
接收单元40通过接收天线30接收在从发送天线10发送之后从前方目标反射并返回的RF信号。接收单元40可以基于从发送单元20的振荡器26提供的参考信号对RF信号进行下变频(down-convert)，将下变频的RF信号转换成数字信号，并将数字信号提供给信号处理单元50。在一个实施方式中，接收单元40可以包括用于构成接收天线30的每个天线的低噪声放大器(LNA)42、混频器44和模数转换器(ADC)48。
低噪声放大器42连接到ULA接收天线30的相应天线，并放大由ULA接收天线30接收的轻微接收信号。由低噪声放大器42放大的接收信号提供给混频器44。混频器44可以基于放大的接收信号和从发送单元20的振荡器26提供的RF信号之间的频率差来对接收信号进行下变频。即，混频器44对放大的接收信号和从发送单元20的振荡器26提供的RF信号进行混合，计算这两个信号之间的频率差，并获得以计算的差异频率作为频率的拍频信号(beatsignal)。由混频器44获得的拍频信号由ADC 48转换成数字信号。获得的数字接收信号提供给信号处理单元50。接收单元40还可以包括低通滤波器(LPF)46，用于去除从混频器44输出的拍频信号中包括的低频分量。
在一个实施方式中，信号处理单元50可以控制发送单元20、接收单元40和用户界面30的整体操作。信号处理单元50可以从接收单元40接收与从前方目标反射的信号对应的数字信息，根据下面描述的方法执行算术处理，并且估计从前方目标接收的接收信号的DOA。此外，信号处理单元50执行信号处理，以生成要通过发送天线10发送到目标的信息，并将该信息提供给发送单元20。信号处理单元50可以通过例如数字信号处理器(DSP)、微型计算机等来实现。
用户界面(UI)30显示信号处理单元50的处理结果或者向信号处理单元50发送用户指令。
图2所示的雷达系统的配置仅仅是一个示例，并且可以根据无线电信号的调制和解调方案等具有其他配置。雷达系统可以用作安装在车辆中的车辆雷达装置。
根据本发明的虚拟天线信号生成方法可以通过程序实现。该程序可以嵌入在信号处理单元50中并由此执行。
图3是基于根据本发明的方法估计接收信号的DOA的过程的流程图。图7示出了在图2的雷达系统的信号处理单元50中基于根据本发明的方法估计接收信号的DOA的计算过程。
将示意性地描述在雷达系统中估计根据本发明的接收信号DOA的方法。在雷达系统中，发送单元20基于由信号处理单元50提供的数字发送信号，来生成RF信号并通过发送天线10发送该RF信号。发送天线10发送到目标的RF信号碰撞并从前方目标反射。ULA接收天线30的每个天线可以接收从目标反射并返回的RF信号，并将该RF信号发送到接收单元40。如上所述，接收单元40基于由每个天线30接收的RF信号和从振荡器26提供的RF信号之间的频率差来生成拍频信号，将拍频信号转换成数字信号，并将数字信号提供给信号处理单元50(步骤S100)。
由接收单元40提供给信号处理单元50的接收信号是时域信号。时域信号转换成频域信号(步骤S200)。图4所示的流程图示出了图3所示的流程图的步骤S200的详细执行过程。参考图4，信号处理单元50可以使用希尔伯特(Hilbert)变换算法将接收单元40提供的时域信号转换成复信号(步骤S210)。然后，可以使用快速傅立叶变换(FFT)算法将所转换的复信号转换成频域信号(步骤S220)。可以对所转换的频域信号执行校准处理(Calibrationprocessing)(步骤S230)。
转换到频域的信号中的对应于拍频的信号可以再次转换为时域信号(步骤S400)。图5的流程图示出了步骤S400的详细执行过程。参考图5，从通过傅立叶变换获得的频域信号中提取拍频信号(步骤S310)。对提取的拍频信号执行快速傅立叶逆变换(IFFT)，并将拍频信号转换为时域信号(步骤S320)。
当以这种方式获得时域信号时，通过使用转换的时域信号生成通过虚拟天线接收的虚拟接收信号(步骤S500)。
当获得期望数量的虚拟天线的虚拟接收信号时，通过一起使用虚拟接收信号和通过实际物理天线接收的接收信号来执行接收信号DOA估计算法(步骤S300)。
在本发明的实施方式中，提出了改进的接收信号DOA估计算法，该算法通过执行DOA估计算法，使用DOA估计值来提高Bartlett算法的分辨率，并降低栅瓣和旁瓣的等级。传统的设置内插算法必须选择指示视域范围的区段。当目标存在于区段之外时，传统内插算法无法准确估计目标的位置。此外，必须执行额外的步骤来设置初始区段。
图6是示出图3的流程图的步骤S500的具体执行过程的示图。
参考图6和图8，将更详细地描述虚拟接收信号的生成的步骤S500的执行过程。图8概念性地示出了本发明的方法，当ULA接收天线30由以ULA形式布置的四个实际天线实现时，使用四个实际天线的接收信号虚拟天线增加的同时生成虚拟天线的接收信号，并基于这些信号确定最佳虚拟天线位置，即，设定位置。将参考图6和图8更详细地描述虚拟接收信号的生成的过程(步骤S500)。
首先，如图8的a所示，当存在M个实际天线时，生成设定数量的虚拟天线(S410)。
设定数量是角度分辨率具有最大性能的虚拟天线的数量。在本实施方式中，采用四个虚拟天线。
虚拟天线可以预先在不同位置生成。例如，通过应用内插或外插，虚拟天线可以设置在实际天线之间或实际天线外部。
此外，虚拟天线可以以不相等的间距设置，而与实际天线的位置无关。
指定用于根据雷达的视场(FOV)使用内插的区段，并且根据主要利用设定数量的虚拟天线获得的示意性目标角度生成变换矩阵T(S420)。即，主要定义区段，并且相对于第一估计角度重新调整辅助角度。由于区段被定义为接近实际目标的位置，从而能够提高角度估计性能。在这种情况下，可以通过波束形成方法来估计目标的角度。
如上所述指定区段时，通过使用通过该区段获得的变换矩阵T来生成由虚拟天线接收的接收信号。
在图8的b中，设定数量的虚拟天线(即，四个虚拟天线)中的一个通过内插设置在最左边的实际天线的右侧，其余三个天线通过外插设置在实际天线外部。
同时，当生成虚拟天线接收的信号时，将虚拟天线接收的信号与实际天线接收的信号混合，以生成新的相关矩阵，使用相关矩阵来生成角度估计谱，并通过角度估计谱来估计角度。在本实施方式中，Bartlett伪频谱可以用作DOA估计算法。
然后，如图7所示，通过一起使用虚拟接收信号和通过实际物理天线接收的接收信号，来执行用于接收信号DOA估计的DOA估计算法。Bartlett伪频谱可以用作DOA估计算法。
这样，如果通过DOA估计算法生成DOA估计值，则通过使用角度的均方根误差(RMSE)来设置最佳组合，即，虚拟天线的位置。
即，作为设置虚拟天线的位置的条件，基于DOA估计值的精度以及旁瓣和栅瓣的面积，可以将具有最佳性能的位置设置为如图8的c所示的设定位置。
例如，在实际天线的间隔为1.8λ的情况下，如果以0.1λ的间距设置四个虚拟天线，则可以生成总共8,214,570个组合。
当对生成的组合执行图6所示的过程时，可以基于DOA估计值的精度以及旁瓣和栅瓣的面积来确定最佳组合。
[表1]
栅瓣和旁瓣相对于每个组合的面积以及最大角度分辨率
在表1中，d'1至d'4是虚拟天线的位置，对应于与实际天线中设置在最外面的实际天线的距离。GL/SL面积是栅瓣和旁瓣的面积。
表1示出了8,214,570个组合中具有最佳性能的五个组合。
在上述实施方式中，由于实际天线的间隔为1.8λ，所以四个实际天线之间的总间隔为5.4λ。
因此，在第一、第四和第五组合的情况下，d'1设置在第一实际天线和第二实际天线之间(内插)之间，d'2至d'4设置在实际天线外部(外插)。
在第二组合中，d'1设置在第二实际天线和第三实际天线之间，d'2至d'4设置在实际天线外部。
在第三组合，d'1设置在第三实际天线和第四实际天线之间，d'2至d'4设置在实际天线外部。
与第一组合到第五组合相比，第一组合到第五组合的最大角度分辨率是相同的，但是第一组合具有最佳性能，因为第一组合具有最小面积的栅瓣和旁瓣。
因此，四个虚拟天线的位置可以是1.0λ、6.2λ、7.0λ和8.7λ。
根据本发明的实施方式，使用虚拟接收信号的生成来虚拟接收信号的生成的方法可以通过应用目标检测雷达装置来以高分辨率估计接收信号的DOA。
图9是示出根据本发明的实施方式的当区段被设置为[-15°，15°]时的Bartlett伪频谱的示图，图10是示出根据本发明的实施方式的当区段被设置为[-5°，5°]时的Bartlett伪频谱的示图，图11是示出根据本发明的实施方式的均方根误差变化的曲线图。
图9是当区段被设置为[-15°，15°]时的Bartlett伪频谱，而图10是当区段被设置为[-5°，5°]时的Bartlett伪频谱。随着区段更接近存在实际目标的区间，表现出更好的性能。
此外，参考图11，与具有相似阵列孔径尺寸的三个阵列(12ULA、4ULA、虚拟扩展阵列)的性能相比，所提出的阵列的性能比较优异。即，与没有应用虚拟天线的天线相比，根据本发明的实施方式的虚拟天线具有比较优异的RMSE(均方根误差)性能。即，当SNR为10dB时，虚拟天线的RMSE为0.7°，实际天线的RMSE为2.4°，DOA估计值的精度与实际天线相比提高了约1.4°。
根据本发明的实施方式，用于使用虚拟接收信号的生成来估计DOA的方法和设备可以通过使用内插和外插来生成虚拟天线，从而即使当天线孔径尺寸较小时，也可以确保分辨率。
此外，根据本发明的实施方式，用于使用虚拟接收信号的生成来估计DOA的方法和设备可以抑制栅瓣，同时保持高分辨率。
而且，根据本发明的实施方式，用于使用虚拟接收信号的生成来估计DOA的方法和设备可以应用于自主车辆的雷达，可以通过改进的分辨率准确地识别实际车辆的数量，而不会将前方附近的多个车辆误认为一个车辆，可以精确地监控准确的前方监测，并且可以有效地防止车辆碰撞事故。
尽管为了说明的目的，已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域技术人员将理解，在不脱离所附权利要求中限定的本发明的范围和精神的情况下，各种修改、添加和替换是可能的。

Claims (16)

1.一种使用虚拟接收信号的生成的接收信号到达方向估计方法，包括：
在多个实际天线的预设位置生成预设数量的虚拟天线；
生成从所述虚拟天线接收的接收信号；以及
使用从所述虚拟天线接收的接收信号和从所述实际天线接收的接收信号通过到达方向估计算法，来生成到达方向估计值。
2.根据权利要求1所述的接收信号到达方向估计方法，其中，所述虚拟天线设置在所述实际天线之间或者所述实际天线外部。
3.根据权利要求1所述的接收信号到达方向估计方法，其中，所述虚拟天线以不相等的间距设置，而与所述实际天线的位置无关。
4.根据权利要求1所述的接收信号到达方向估计方法，其中，至少考虑信噪比和天线间隔来设置所述虚拟天线的设定数量。
5.根据权利要求1所述的接收信号到达方向估计方法，其中，生成所述虚拟天线包括：
根据视场角度范围设置区段，通过所设置的区段来生成变换矩阵，并且通过使用所生成的变换矩阵来生成从所述虚拟天线接收的接收信号；
通过组合从所述虚拟天线接收的接收信号和从所述实际天线接收的接收信号来生成相关矩阵，通过使用所生成的相关矩阵来生成角度估计谱，并且生成所述到达方向估计值；以及
通过使用所述到达方向估计值的均方根误差来确定所述虚拟天线的设定位置。
6.根据权利要求5所述的接收信号到达方向估计方法，其中，确定所述设定位置包括基于旁瓣和栅瓣的面积以及所述到达方向估计值的精度中的至少一者来确定所述设定位置。
7.根据权利要求5所述的接收信号到达方向估计方法，其中，基于接收信号之间的关系，通过使用线性最小二乘法获得所述变换矩阵。
8.根据权利要求5所述的接收信号到达方向估计方法，其中，所述到达方向估计算法是Bartlett伪算法。
9.一种使用虚拟接收信号的生成的接收信号到达方向估计设备，包括：
均匀线性阵列接收天线，所述均匀线性阵列接收天线包括多个实际天线；
接收单元，被配置为从通过所述均匀线性阵列接收天线的所述实际天线接收的接收信号中提取预定信号，并且将所提取的信号转换成数字信号；以及
信号处理单元，被配置为：从所述接收单元接收所述数字信号，生成从在预设位置处设置的预设数量的虚拟天线接收的接收信号，并且使用从所述实际天线接收的接收信号和从所述虚拟天线接收的接收信号通过到达方向估计算法，来生成到达方向估计值。
10.根据权利要求9所述的接收信号到达方向估计设备，其中，所述虚拟天线设置在所述实际天线之间或所述实际天线外部。
11.根据权利要求9所述的接收信号到达方向估计设备，其中，所述虚拟天线以不相等的间距设置，而与所述实际天线的位置无关。
12.根据权利要求9所述的接收信号到达方向估计设备，其中，至少考虑信噪比和天线间隔来设置所述虚拟天线的设定数量。
13.根据权利要求9所述的接收信号到达方向估计设备，其中，所述信号处理单元被配置为：根据视场角度范围设置区段，通过所设置的区段来生成变换矩阵，通过使用所生成的变换矩阵来生成从所述虚拟天线接收的接收信号，通过组合从所述虚拟天线接收的接收信号和从所述实际天线接收的接收信号来生成相关矩阵，通过使用所生成的相关矩阵来生成角度估计谱，生成所述到达方向估计值，并且通过使用所述到达方向估计值的均方根误差来确定所述虚拟天线的设定位置。
14.根据权利要求13所述的接收信号到达方向估计设备，其中，所述信号处理单元被配置为基于旁瓣和栅瓣的面积以及所述到达方向估计值的精度中的至少一者来确定所述设定位置。
15.根据权利要求13所述的接收信号到达方向估计设备，其中，基于接收信号之间的关系，通过使用线性最小二乘法获得所述变换矩阵。
16.根据权利要求13所述的接收信号到达方向估计设备，其中，所述到达方向估计算法是Bartlett伪算法。
CN201910003902.3A 2018-01-08 2019-01-03 使用虚拟接收信号的生成来估计到达方向的方法和设备 Active CN110018452B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180002532A KR102323655B1 (ko) 2018-01-08 2018-01-08 가상 수신신호 생성을 이용한 도래각 추정 방법 및 장치
KR10-2018-0002532 2018-01-08

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110018452A true CN110018452A (zh) 2019-07-16
CN110018452B CN110018452B (zh) 2023-04-25

Family

ID=66995495

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910003902.3A Active CN110018452B (zh) 2018-01-08 2019-01-03 使用虚拟接收信号的生成来估计到达方向的方法和设备

Country Status (4)

Country Link
US (2) US11099253B2 (zh)
KR (1) KR102323655B1 (zh)
CN (1) CN110018452B (zh)
DE (1) DE102018222853A1 (zh)

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102323655B1 (ko) * 2018-01-08 2021-11-09 현대모비스 주식회사 가상 수신신호 생성을 이용한 도래각 추정 방법 및 장치
KR102099388B1 (ko) * 2018-05-08 2020-04-09 서울대학교산학협력단 안테나 어레이 외삽을 이용한 레이더 수신신호의 도착방향 추정 방법 및 장치
KR102182293B1 (ko) * 2019-03-11 2020-11-24 현대모비스 주식회사 Mimo 시스템에서 도래각 추정 장치 및 방법
CN111505597B (zh) * 2020-04-24 2023-04-14 南京市德赛西威汽车电子有限公司 一种消除雷达波束赋形栅瓣的方法及天线
JP7382898B2 (ja) * 2020-05-27 2023-11-17 日立Astemo株式会社 レーダ装置
US11751008B2 (en) 2020-07-30 2023-09-05 Samsung Electronics Co., Ltd. Angle of arrival capability in electronic devices
CN112526446B (zh) * 2020-11-27 2022-08-09 石家庄铁道大学 用于评价电磁干扰源doa估计算法分辨率的方法
CN112816936B (zh) * 2020-12-31 2024-04-16 中国人民解放军空军工程大学 基于矩阵匹配的二维稀疏线阵波达方向估计方法
JP2022182347A (ja) * 2021-05-28 2022-12-08 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 情報処理装置、及び、情報処理方法
JP7434214B2 (ja) 2021-06-18 2024-02-20 株式会社東芝 信号処理装置、レーダ装置及び信号処理方法
KR20240055719A (ko) * 2021-09-16 2024-04-29 엘지전자 주식회사 무선 통신 시스템에서 도달 방향에 따라 잡음을 감소시키기 위한 수신기 구조 및 이를 위한 방법
CN114545324B (zh) * 2022-04-24 2022-07-12 南京宇安防务科技有限公司 一种适用于非均匀阵列的快速测向方法
CN116466299B (zh) * 2023-06-20 2023-08-18 中国人民解放军火箭军工程大学 二维子阵级稀疏阵列fpmimo雷达收发波束合成方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102983896A (zh) * 2012-11-16 2013-03-20 哈尔滨工程大学 一种投影虚拟天线波束形成方法
KR20140142014A (ko) * 2013-06-03 2014-12-11 주식회사 만도 레이더 장치 및 안테나 장치
CN104749552A (zh) * 2015-03-21 2015-07-01 西安电子科技大学 基于稀疏重构的互质阵列波达方向角估计方法
CN106486769A (zh) * 2015-09-01 2017-03-08 株式会社万都 用于线性相控阵天线的空间插值方法和设备
JP2017116425A (ja) * 2015-12-24 2017-06-29 学校法人東京電機大学 Ｍｉｍｏレーダシステム、および信号処理装置
CN106972882A (zh) * 2017-03-01 2017-07-21 浙江大学 基于虚拟域空间功率谱估计的互质阵列自适应波束成形方法
CN107092007A (zh) * 2017-05-25 2017-08-25 电子科技大学 一种虚拟二阶阵列扩展的波达方向估计方法
US20170285159A1 (en) * 2016-03-30 2017-10-05 Wistron Neweb Corporation Angle Estimating Method and Radar System
KR20170127939A (ko) * 2016-05-13 2017-11-22 국방과학연구소 상호간섭효과를 보상한 원형 배열 안테나 기반의 도래각 추정 장치 및 추정 방법

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014060777A2 (en) * 2012-10-19 2014-04-24 Ucl Business Plc Apparatus and method for determining the location of a mobile device using multiple wireless access points
TWI457585B (zh) * 2012-12-11 2014-10-21 Univ Nat Chiao Tung 角度偵測方法及其裝置
KR101413229B1 (ko) * 2013-05-13 2014-08-06 한국과학기술원 방향 추정 장치 및 방법
US9635734B2 (en) 2013-11-04 2017-04-25 The L.D. Kichler Co. Low voltage lighting power supply systems and methods
CN106460669B (zh) 2014-06-04 2018-05-01 三菱日立电力系统株式会社 燃气涡轮
US9664775B2 (en) * 2014-09-29 2017-05-30 Delphi Technologies, Inc. Radar system and method for virtual antenna signals
US9541638B2 (en) * 2014-11-11 2017-01-10 Nxp B.V. MIMO radar system
KR102449214B1 (ko) 2015-05-13 2022-09-30 주식회사 에이치엘클레무브 도래각 추정 장치 및 이를 이용한 도래각 추정 방법
US10034258B2 (en) 2016-06-29 2018-07-24 Infineon Technologies Ag Signal detector device and method
EP3301470A3 (en) * 2016-09-29 2018-06-20 Panasonic Corporation Multi-radar system
TWI634342B (zh) * 2017-08-30 2018-09-01 啟碁科技股份有限公司 角度估測方法及雷達系統
KR102323655B1 (ko) * 2018-01-08 2021-11-09 현대모비스 주식회사 가상 수신신호 생성을 이용한 도래각 추정 방법 및 장치

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102983896A (zh) * 2012-11-16 2013-03-20 哈尔滨工程大学 一种投影虚拟天线波束形成方法
KR20140142014A (ko) * 2013-06-03 2014-12-11 주식회사 만도 레이더 장치 및 안테나 장치
CN104749552A (zh) * 2015-03-21 2015-07-01 西安电子科技大学 基于稀疏重构的互质阵列波达方向角估计方法
CN106486769A (zh) * 2015-09-01 2017-03-08 株式会社万都 用于线性相控阵天线的空间插值方法和设备
JP2017116425A (ja) * 2015-12-24 2017-06-29 学校法人東京電機大学 Ｍｉｍｏレーダシステム、および信号処理装置
US20170285159A1 (en) * 2016-03-30 2017-10-05 Wistron Neweb Corporation Angle Estimating Method and Radar System
KR20170127939A (ko) * 2016-05-13 2017-11-22 국방과학연구소 상호간섭효과를 보상한 원형 배열 안테나 기반의 도래각 추정 장치 및 추정 방법
CN106972882A (zh) * 2017-03-01 2017-07-21 浙江大学 基于虚拟域空间功率谱估计的互质阵列自适应波束成形方法
CN107092007A (zh) * 2017-05-25 2017-08-25 电子科技大学 一种虚拟二阶阵列扩展的波达方向估计方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR102323655B1 (ko) 2021-11-09
US11099253B2 (en) 2021-08-24
US20210382132A1 (en) 2021-12-09
US20190212411A1 (en) 2019-07-11
US11933909B2 (en) 2024-03-19
KR20190084593A (ko) 2019-07-17
CN110018452B (zh) 2023-04-25
DE102018222853A1 (de) 2019-07-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110018452A (zh) 使用虚拟接收信号的生成来估计到达方向的方法和设备
JP5617334B2 (ja) レーダ装置及び目標探知方法
US10371796B2 (en) Radar device
JP5659472B2 (ja) 到来方向推定装置及び方法
US9470782B2 (en) Method and apparatus for increasing angular resolution in an automotive radar system
CN107064861A (zh) 用于估计到达角的设备以及用于波束成形的设备
US9279884B2 (en) Method and device for estimating direction of arrival
US9229100B2 (en) Phased array radar with monopulse algorithm measurement
CN110673086A (zh) 一种基于数字阵列雷达的二维角度超分辨方法
US11211992B2 (en) Apparatus and method for estimating direction of arrival in MIMO system
CN108398669B (zh) 一种基于无需预延迟处理的空时宽带自适应单脉冲测角方法
KR20180113267A (ko) 균일 선형 배열 안테나 기반의 가상 수신신호 생성을 이용한 도래각 추정 방법 및 장치
US20200041611A1 (en) Radar apparatus and method for producing different directional characteristics
JP2010096575A (ja) 信号波到来角度測定装置
JP2016080369A (ja) 角度推定装置および角度推定方法
US5270718A (en) Method and apparatus for tracking targets from direct and multipath reflected radar signals
JP2020020696A (ja) 到来方向推定装置及び到来方向推定方法
JP6980979B2 (ja) レーダ装置および物標検知方法
JP2010112749A (ja) レーダ装置
KR102099388B1 (ko) 안테나 어레이 외삽을 이용한 레이더 수신신호의 도착방향 추정 방법 및 장치
US20230280446A1 (en) Linear chirp automotive radar using millimeter wave metamaterial antennas
Wu et al. Target localization for FDA-MIMO radar with random frequency increment via atomic norm minimization
WO2023002593A1 (ja) 信号処理装置、レ－ダ装置、および信号処理方法
JP7412933B2 (ja) レーダ装置
JP4908450B2 (ja) レーダ装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant