CN110554361A - 一种mimo体制下发射波形参数设计的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种MIMO体制下发射波形参数设计的方法，目的是能在一定距离范围内分辨车辆，达到良好的测量效果，需要通过设置发射波形的参数来提高方位、距离、速度分辨率。其中方位分辨率与接收天线数量有关，另外为了提高距离和方位分辨率，限定了带宽(B)、脉冲重复周期(PRI)及采样率(fs)等值。本发明增大等效阵列孔径，从而达到提高方位分辨率的效果；高方位分辨率，可以更好地分辨车道，这样在后续点目标检测时，可以更好地区分开目标。

Description

一种MIMO体制下发射波形参数设计的方法
技术领域
本发明公开了一种MIMO体制下发射波形参数设计的方法，涉及交通雷达天线技术领域。
背景技术
角分辨力表征的是雷达系统区分切向目标的能力，它直接影响到雷达的测角精度。雷达系统的角分辨力取决于雷达天线的波束宽度，而天线的波束宽度又取决于天线的孔径，因此，雷达系统的天线孔径越大，其角分辨力和角测量精度越高。现有的AWR1642芯片为2发4收天线，其测角分辨率低，难以满足分辨车道的要求，另外，现有的AWR1443，单个芯片均只有三个发射通道和四个接收通道，通过MIMO的天线布局方式最多组合出12个等效的天线单元，依旧不能满足实际工程分辨车辆的需求。
发明内容
为解决上述问题，本发明基于MIMO雷达体制，提供一种发射波形参数设计方法，提高测量效果。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种MIMO体制下发射波形参数设计的方法，包括以下步骤：
步骤一：设计影响MIMO雷达测量方位分辨率的收发天线数量；
步骤二：设计影响MIMO雷达测量距离分辨率的带宽；
步骤三：设计影响MIMO雷达测量速度分辨率的脉冲重复周期；
步骤四：设计脉冲数；
步骤五：确定步骤一中收发天线的阵列布局方式。
进一步的，步骤一中，收发天线数量设计方法具体为：
根据方位分辨率设计等效阵列孔径：
其中，R为雷达作用的距离，ρa为方位分辨率，λ为波长，c为光速，f0为基载频；
设定系统对检测场景的方位分辨率要求ρa≤a，a为常数，则等效阵列孔径的取值范围为：
根据等效阵列孔径设计收发天线数量：
其中，n为收发天线的数量，D为等效阵列的孔径，r为等效阵列的单元间距。
进一步的，步骤二中，带宽设计方法具体为：
根据距离分辨率
设定系统对检测场景的距离分辨率要求Rres≤e，e为常数，则：
进一步的，步骤三中，脉冲重复周期设计方法具体为：根据测量距离范围设计PRF范围：
其中，PRF脉冲重复频率，lmax为测量的最大距离，lmin为测量的最小距离；
根据PRF范围设计脉冲重复周期范围PRI：
再根据模糊速度公式：
得到对应的不模糊速度，当目标速度V＞Va时，发生速度模糊Va：
此时,
PRF＜4Vλ
另外，由可得线性调频信号的调频斜率k。
进一步的，步骤四中，所述脉冲数为发射天线的整数倍。
进一步的，步骤五中，所述收发天线包括发射天线和接收天线，所述的发射天线等间距排列成线阵，所述的接收天线均分为两组，每组的接收天线等间距排列成线阵；收发天线的阵列布局方式采用等效天线，通过排列几何的方式得到发射天线乘以接收天线的数量的单发单收等效天线。
进一步的，步骤一中，所述的MIMO雷达收发天线为p发q收，即
有益效果：1.本发明增大等效阵列孔径，从而达到提高方位分辨率的效果。高方位分辨率，可以更好地分辨车道，这样在后续点目标检测时，可以更好地区分开目标。
2.符合用于实际交通检测时的测距范围要求和用于实际交通检测时的不模糊速度要求。
附图说明
图1为仿真方向图；
图2为阵列布局示意图；
图3为阵列布局等效阵列示意图；
图4为车辆穿越检测断面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明提供的一种实施例：标准车道的宽度为3m，6车道的总宽度为18m。在30m的距离处覆盖18m的车道宽度，所需的方位覆盖宽度或方位扫描覆盖宽度为35°；标准的红绿灯灯塔的高度为5.5m～7m，覆盖30m～80m的距离所需的俯仰波束宽度为6.6°(5.5m)或8.5°(7m)，但还要考虑车高的影响，因此远端波束接近平视。因此俯仰波束宽度需达到10.5°(5.5m)或13.4°(7m)。因此，为了使雷达能够满足上述应用场景的需求，要求雷达满足以下技术指标：
作用距离：对车辆(包含轿车、卡车等)的作用距离为30m～80m；
在作用距离范围内方位分辨率小于3m，具备对车道的分辨能力；
阵面方位波束宽度或方位扫描波束宽度不小于35°，
具备在作用距离范围内同时覆盖6车道的能力；
阵面俯仰波束宽度不小于13.4°，具备覆盖作用距离范围的能力。
收发天线数量设计方法具体为：
其中，n为收发天线的数量，D为等效阵列的孔径，r为等效阵列的单元间距。
要实现作用距离范围内尤其是在距离80m处对车道的分辨，也就是说通过MIMO形成的等效阵列其方位分辨率需达到80m处的方位分辨率小于3m，根据方位分辨率的公式(其中，R为雷达作用的距离，ρa为方位分辨率，λ为波长，c为光速，f0为基载频)，可知，等效阵列的孔径D长度需大于100mm；不仅等效阵列的孔径长度需大于100m，而且等效阵列的单元间距满足DBF波束扫描±17.5°(满足35°的方位覆盖需求)不出栅瓣的需求。
图1为等效阵列的单元间距r为2.8mm时的天线坐标设计，可满足扫描±17.5°的需求，100mm长的等效天线阵列所需的等效天线单元为36个，因此采用两片AWR1243芯片进行级联，具备六个发射通道和八个接收通道，从而最多可组合出48个等效的天线单元，满足大于100mm长的等效天线阵列长度的需求。
如图2～3所示，八个接收天线分为两个子阵，每个子阵内部的接收天线之间的间距为2.8mm，两个子阵之间距离为接收天线间单元间距为2.8mm×20，六个发射天线之间的单元间距为2.8mm×4。
天线的布置方式形成了47个有效的天线辐射单元，单元间距为2.8mm，等效阵列孔径131.6mm，从而在30m～80m的作用距离范围内的方位分辨率为0.97m～2.59m，小于车道的宽度，具备了一定的分辨车辆的能力。另外，还形成了1个重叠的等效阵元位置，可用于芯片间通道相位的校正。
由方位分辨率的公式可知，等效阵列孔径D越大，雷达的方位分辨率ρa越高。
如图4所示，交通雷达安装在斜对面红绿灯灯杆上，同时实现对向30m～80m距离范围内6个车道的车辆进入检测断面的车辆进行存在检测，能够输出每个车辆进入虚拟线圈的触发信号，离开信号并且提供存在时间。
由于检测断面的长度很可能小于车长，若采用距离低分辨率，则可能每辆车只反射回一个点且该反射点可能来自车的不同位置，这样不仅不能区分车辆及路面上其他金属物，而且也不能准确反映车辆进入检测线圈和离开检测线圈的时间，因此采用高距离分辨率，距离分辨率不大于0.3m，由距离分辨率的公式可得带宽B≥500MHz，因此取带宽为540MHz。
在本次工程实践中最大测距范围为80m，因此取脉冲重复周期PRI为24us，对应的不模糊速度为±6.7m/s，并由可得，线性调频信号的调频斜率k为22500G，调频斜率的值，用来仿真画距离图中限定横坐标。
取基载频f0为77GHz，单个chirp的采样点数为900个，脉冲数设置为192个，另外，根据可得采样频率fs为37.5MHz。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种MIMO体制下发射波形参数设计的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：设计影响MIMO雷达测量方位分辨率的收发天线数量；
步骤二：设计影响MIMO雷达测量距离分辨率的带宽；
步骤三：设计影响MIMO雷达测量速度分辨率的脉冲重复周期；
步骤四：设计脉冲数；
步骤五：确定步骤一中收发天线的阵列布局方式。
2.根据权利要求1中的一种MIMO体制下发射波形参数设计的方法，其特征在于，步骤一中，收发天线数量设计方法具体为：
根据方位分辨率设计等效阵列孔径：
其中，R为雷达作用的距离，ρa为方位分辨率，λ为波长，c为光速，f0为基载频；
设定系统对检测场景的方位分辨率要求ρa≤a，a为常数，则等效阵列孔径的取值范围为：
根据等效阵列孔径设计收发天线数量：
其中，n为收发天线的数量，D为等效阵列的孔径，r为等效阵列的单元间距。
3.根据权利要求1中的一种MIMO体制下发射波形参数设计的方法，其特征在于，步骤二中，带宽(B)的设计方法具体为：
根据距离分辨率
设定系统对检测场景的距离分辨率要求Rres≤e，e为常数，则：
4.根据权利要求1中的一种MIMO体制下发射波形参数设计的方法，其特征在于，步骤三中，脉冲重复周期设计方法具体为：
根据测量距离范围设计PRF范围：
其中，PRF脉冲重复频率，lmax为测量的最大距离，lmin为测量的最小距离；
根据PRF范围设计脉冲重复周期范围PRI：
5.根据权利要求1中的一种MIMO体制下发射波形参数设计的方法，其特征在于，步骤四中，所述脉冲数为发射天线的整数倍。
6.根据权利要求1中的一种MIMO体制下发射波形参数设计的方法，其特征在于，步骤五中，收发天线的阵列布局方式采用等效天线，即通过排列几何的方式得到发射天线乘以接收天线的数量的单发单收等效天线。
7.根据权利要求1中的一种MIMO体制下发射波形参数设计的方法，其特征在于，步骤一中，所述的MIMO雷达收发天线为p发q收，即
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