CN110596646A - 一种基于mimo体制的提高雷达角度分辨率的布局及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于MIMO体制的提高雷达角度分辨率的布局及方法，本发明通过分布式和紧凑式MIMO雷达的天线布局，用成像算法使得雷达系统对于目标的分辨率得到显著提高。本发明首先独立设计了两个不同的三发四收天线布局的紧凑式MIMO雷达，两个雷达分别有自己的角度分辨率，然后将两个紧凑式MIMO雷达间隔一定距离以构成分布式MIMO雷达，利用一种快速算法对空间一定区域内像素点分别计算其相对于天线位置的双程延时，以延时确定回波索引，得到对应回波在设定的空间区域的成像图。两个雷达分别成像，交集点即为目标位置，本发明提出了一种新的快速成像算法应用领域，旨在提高目标位置的角度分辨率。
Description
技术领域
本发明公开了一种基于MIMO体制的提高雷达角度分辨率的布局及方法，涉及交通雷达天线技术领域。
背景技术
对于雷达的设计需求来说，各项指标的分辨率一直是雷达发展所追求的重要目标之一，因此而衍生的技术也是多种多样。雷达分辨率指的是两个目标物在雷达荧光屏上产生的回波能够区分开来的最小实际距离，也就是雷达在屏幕上所能分辨的两个目标物的最小实际距离，角度分辨率即指在角度方位上所能分辨的两个目标物的最小角度差值。如果同一波束内存有两个等距目标(或者目标和干扰)，用常规的雷达处理只能检测到一个复合目标，往往会出现雷达难以区分各目标的情况，因而需要提高雷达方位向角度分辨率。
传统的MIMO雷达信号处理都是通过紧凑式MIMO雷达内部的回波进行各种算法技术来提高分辨率，如数字波束形成(DBF)和波达方向(DOA)技术等，但其提高的分辨率程度有限，很难做到高分辨率。
发明内容
为解决上述问题，本发明基于MIMO雷达体制，运用一种成像算法，使得雷达角度分辨率相较于传统MIMO雷达信号处理方式有了较大幅度的提升与改善。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于MIMO体制的提高雷达角度分辨率的布局，包括：第一MIMO雷达和第二MIMO雷达，所述第一MIMO雷达与第二MIMO雷达之间的间距大于或等于15.8m，所述所述第一MIMO雷达包括若干等间距设置的发射天线和接收天线，每个所述的发射天线的两侧均设置一个寄生天线，所有所述接收天线排列在两个寄生天线之间，且每个接收天线与寄生天线等间距设置。
进一步的，所述第一MIMO雷达的天线数包括3个第一发射天线和4个第一接收天线，所述第一MIMO雷达的第一接收天线和第一发射天线之间通过第一芯片模块连接；所述第二MIMO雷达的天线数包括3个第二发射天线和4个第二接收天线，所述第二MIMO雷达的第二接收天线和第二发射天线之间通过第二芯片模块连接；
所述的第一发射天线包括3个发射天线单元，所述的第一接收天线包括3个接收天线单元，所述的接收天线单元通过功分器和接收馈线一端连接，所述的发射天线单元通过功分器和发射馈线一端连接，所述接收馈线和发射馈线的另一端连接第一芯片模块；所述的第二发射天线包括8个发射天线单元，所述的第二接收天线包括6个接收天线单元，所述的接收天线单元通过功分器和接收馈线一端连接，所述的发射天线单元通过功分器和发射馈线一端连接，所述接收馈线和发射馈线的另一端连接第二芯片模块，所述的第一芯片模块和第二芯片模块为IWR6843。
每条所述接收馈线的长度相同，每条所述的发射馈线的长度相同，所述接收馈线和发射馈线均包括：多个相连的直线段和曲线段，每段之间连接处不为直角，直线段之间由曲线段过渡连接。
第一MIMO雷达的发射天线间距为12倍雷达信号波长，接收天线间距为3倍雷达信号波长，第二MIMO雷达的发射天线间距为6倍雷达信号波长，接收天线间距为1.5倍雷达信号波长，两组MIMO雷达接收天线和发射天线之间的间距均为3倍雷达信号波长。
一种基于MIMO体制的提高雷达角度分辨率的方法，包括以下步骤：
步骤一：设定两组MIMO雷达参数；
步骤二：通过两组MIMO雷达向存在单一目标物的平面空间发射信号，并接收到目标物的多个初始回波信号；
步骤三：将一组MIMO雷达对应的若干个初始回波信号进行信号处理，合成为单一波束所对应的总回波信号；
步骤四：对两组MIMO雷达的总回波信号进行后向投影算法，进行后向投影成像。
进一步的，所述的MIMO雷达包括雷达功能参数；所述雷达功能参数包括脉冲重复周期、载频频率和雷达信号波长，所述的MIMO雷达参数还包括MIMO雷达布局参数，所述MIMO雷达布局参数包括：两组MIMO雷达的天线数以及两组MIMO雷达间的间距，所述天线数为三发四收，两组MIMO雷达间的间距L≥15.8m，两组所述MIMO雷达的角度分辨率分别为3.2°和1.6°。
进一步的，所述单组三发四收雷达收发天线对应接收12个初始回波信号，对单组三发四收雷达天线的12个初始回波信号依次进行二维快速傅里叶变换和数字波束形成，通过目标物速度门和角度门得到单组三发四收雷达的总回波信号。
进一步的，步骤四中，运用后向投影算法进行投影成像具体包括以下步骤：
Q1：将单一目标物所在的一定范围的平面空间离散化为M个像素点组成的网格；
Q2：对离散化后的每一个像素点分别计算双程延时信息；
Q3：计算每一个像素点对应的回波索引；
Q4：遍历平面空间中所有M个像素点，将每一个像素点的回波索引代入总回波信号中，进行相干累加，得到平面空间的后向投影结果；
对于单个像素点，计算单个像素点对应的距离门，获得其回波索引，回波索引包括单个像素点分别对应于两组三发四收雷达的两个初始回波信号，然后对这两个初始回波信号进行相干累加，得到该像素点最终的后向散射信息；而遍历平面空间中所有M个像素点，计算每个像素点对应的距离门，获得每个像素点的回波索引，并相干累加，即可得到全空间的后向投影结果。
进一步的，Q2中，双程延时信息的计算方法具体包括：
计算双程斜距：
其中，(x,y)分别表示天线的位置信息，(xm,xn)表示像素点的位置信息；
双程延时表示每一个像素点到单个MIMO雷达的收发之间的往返距离造成的延时，此时单个MIMO雷达间的收发天线抽象成一个点。
计算双程延时信息：
其中，c表示光速；
通过双程延时信息来得到每个像素点在每个总回波信号的二维矩阵中的位置。
进一步的，Q3中，回波索引的计算方法具体包括：
其中，n_samples表示距离向采样点数，Rmax表示最大探测距离，round表示四舍五入的取整运算。
本发明首先独立设计了两个不同的三发四收天线布局的紧凑式MIMO雷达，两个雷达分别有自己的角度分辨率，然后将两个紧凑式MIMO雷达间隔一定距离以构成分布式MIMO雷达，利用后向投影算法对空间一定区域内像素点分别计算其相对于天线位置的双程延时，以延时确定回波索引，得到对应回波在设定的空间区域的成像图，两组MIMO雷达分别成像，交集点即为目标位置。
有益效果:1、本发明应用于MIMO交通雷达，只需在天线布局方面进行优化设计，就能提高雷达角度分辨率，硬件要求低。
2、对比单独的紧凑式MIMO雷达，角度分辨率提升效果明显。
3、将成像算法运用于提高角度分辨率而非传统的成像，且相对传统成像算法来说计算量较小。
附图说明
图1本发明实现的流程图；
图2本发明天线布局图；
图3本发明仿真目标物成像图；
图4本发明仿真目标物角度减小0.6°的成像图。
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。
如图1所示，本发明提供的一种实施例：一种基于MIMO体制的提高雷达角度分辨率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：设定两组MIMO雷达参数；
步骤二：通过MIMO雷达向存在单一目标物的平面空间发射信号，并接收到目标物的多个初始回波信号；
步骤三：将一组MIMO雷达对应的若干个初始回波信号进行信号处理，合成为单一波束所对应的总回波信号；
步骤四：对两组MIMO雷达的总回波信号进行后向投影算法，进行后向投影成像。
所述的MIMO雷达包括雷达功能参数；所述雷达功能参数包括脉冲重复周期、载频频率和雷达信号波长，载频需在77～79GHz之间，目标物位置必须在雷达可探测范围内。
如图2所示，所述的MIMO雷达参数还包括MIMO雷达布局参数，所述MIMO雷达布局参数包括：两组MIMO雷达的天线数以及两组MIMO雷达间的间距，所述天线数为三发四收。
其中一组三发四收MIMO雷达的发射天线间距为6倍雷达信号波长，接收天线间距为1.5倍雷达信号波长；另一组三发四收MIMO雷达的发射天线间距为12倍雷达信号波长，接收天线间距为3倍雷达信号波长，两组天线收发之间的间距均为3倍雷达信号波长；两组雷达间的间距L≥15.8m。
所述单组三发四收雷达收发天线对应接收12个初始回波信号，对单组三发四收雷达天线的12个初始回波信号依次进行二维快速傅里叶变换和数字波束形成，通过目标物速度门和角度门得到单组三发四收雷达的总回波信号。
两组所述MIMO雷达的角度分辨率分别为3.2°和1.6°。
步骤四中，运用后向投影算法进行投影成像具体包括以下步骤：
Q1：将单一目标物所在的一定范围的平面空间离散化为M个像素点组成的网格，间隔略小于MIMO雷达角度分辨率；
Q2：对离散化后的每一个像素点分别计算双程延时信息；
Q3：计算每一个像素点对应的回波索引；
Q4：遍历平面空间中所有M个像素点，将每一个像素点的回波索引代入总回波信号中，进行相干累加，得到平面空间的后向投影结果，
Q2中，双程延时信息的计算方法具体包括：
计算双程斜距：
其中，(x,y)分别表示天线的位置信息，(xm,xn)表示像素点的位置信息；
计算双程延时信息：
其中，c表示光速。
Q3中，回波索引的计算方法具体包括：
其中，n_samples表示距离向采样点数，Rmax表示最大探测距离，round表示四舍五入的取整运算。
本发明可通过仿真进一步说明：
基于上述对算法的描述，针对MIMO体制的雷达进行算法的仿真，首先设计雷达天线的布局，两组三发四收雷达各自单独的角度分辨率为3.2°和1.6°，两组雷达间的间距L≥15.8m。
首先对于单个目标物，两组三发四收雷达的发射天线发射信号，各自的接收天线接收到初始回波回波后进行二维FFT处理，然后两组三发四收雷达的回波综合成两个矩阵分别进行DBF，于是得到两个总回波信号。
如图3所示，再运用后向投影算法(BP)，将平面空间离散化，对于其中每一个像素点计算其双程斜距并求出其回波索引，代入两个总回波信号中并相干累加得到其对应的权值；遍历空间所有像素点便可得到目标点的后向投影成像图，两组MIMO雷达分别成像，交集点即为目标位置；
每个回波索引对应的回波为该像素点所对应的初始回波信号，没有目标物对应的像素点所对应的初始回波信号强度很弱，只有在有目标物存在的初始回波信号才会有强幅度。
将目标物的角度增减0.6°后再次运行仿真，如图4所示，观察归一化后目标点的权值超过0.707(主瓣)的值是否与原目标有重叠，无重叠即说明L满足要求，即满足角度分辨率为0.6°。
本发明应用于MIMO交通雷达，只需在天线布局方面进行优化设计，就能提高雷达角度分辨率，硬件要求低。
对比单独的紧凑式MIMO雷达，角度分辨率提升效果明显。
将成像算法运用于提高角度分辨率而非传统的成像，且相对传统成像算法来说计算量较小。
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 (9)
1.一种基于MIMO体制的提高雷达角度分辨率的布局，其特征在于，包括：第一MIMO雷达和第二MIMO雷达，所述第一MIMO雷达与第二MIMO雷达之间的间距大于或等于15.8m，所述所述第一MIMO雷达包括若干等间距设置的发射天线和接收天线，每个所述的发射天线的两侧均设置一个寄生天线，所有所述接收天线排列在两个寄生天线之间，且每个接收天线与寄生天线等间距设置。
2.根据权利要求1所述的一种基于MIMO体制的提高雷达角度分辨率的布局，其特征在于，所述第一MIMO雷达的天线数包括3个第一发射天线和4个第一接收天线，所述第一MIMO雷达的第一接收天线和第一发射天线之间通过第一芯片模块连接；所述第二MIMO雷达的天线数包括3个第二发射天线和4个第二接收天线，所述第二MIMO雷达的第二接收天线和第二发射天线之间通过第二芯片模块连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于MIMO体制的提高雷达角度分辨率的布局，其特征在于，第一MIMO雷达的发射天线间距为12倍雷达信号波长，接收天线间距为3倍雷达信号波长，第二MIMO雷达的发射天线间距为6倍雷达信号波长，接收天线间距为1.5倍雷达信号波长，两组MIMO雷达接收天线和发射天线之间的间距均为3倍雷达信号波长。
4.一种基于MIMO体制的提高雷达角度分辨率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：设定两组MIMO雷达参数；
步骤二：通过两组MIMO雷达向存在单一目标物的平面空间发射信号，并接收到目标物的多个初始回波信号；
步骤三：将一组MIMO雷达对应的若干个初始回波信号进行信号处理，合成为单一波束所对应的总回波信号；
步骤四：对M两组MIMO雷达的总回波信号进行后向投影算法，进行后向投影成像。
5.根据权利要求4中的一种基于MIMO体制的提高雷达角度分辨率的方法，其特征在于，所述的MIMO雷达包括雷达功能参数；所述雷达功能参数包括脉冲重复周期、载频频率和雷达信号波长，所述的MIMO雷达参数还包括MIMO雷达布局参数，所述MIMO雷达布局参数包括：两组MIMO雷达的天线数以及两组MIMO雷达间的间距，所述天线数为三发四收，其中一组三发四收MIMO雷达的发射天线间距为6倍雷达信号波长，接收天线间距为1.5倍雷达信号波长；另一组三发四收MIMO雷达的发射天线间距为12倍雷达信号波长，接收天线间距为3倍雷达信号波长，两组天线收发之间的间距均为3倍雷达信号波长。
6.根据权利要求5中的一种基于MIMO体制的提高雷达角度分辨率的方法，其特征在于，所述单组三发四收雷达收发天线对应接收12个初始回波信号，对单组三发四收雷达天线的12个初始回波信号依次进行二维快速傅里叶变换和数字波束形成，通过目标物速度门和角度门得到单组三发四收雷达的总回波信号。
7.根据权利要求4中的一种基于MIMO体制的提高雷达角度分辨率的方法，其特征在于，步骤四中，运用后向投影算法进行投影成像具体包括以下步骤：
Q1：将单一目标物所在的一定范围的平面空间离散化为M个像素点组成的网格；
Q2：对离散化后的每一个像素点分别计算双程延时信息；
Q3：计算每一个像素点对应的回波索引；
Q4：遍历平面空间中所有M个像素点，将每一个像素点的回波索引代入总回波信号中，进行相干累加，得到平面空间的后向投影结果。
8.根据权利要求7中的一种基于MIMO体制的提高雷达角度分辨率的方法，其特征在于，Q2中，双程延时信息的计算方法具体包括：
计算双程斜距：
其中，(x,y)分别表示天线的位置信息，(xm,xn)表示像素点的位置信息；
计算双程延时信息：
其中，c表示光速。
9.根据权利要求8中的一种基于MIMO体制的提高雷达角度分辨率的方法，其特征在于，Q3中，回波索引的计算方法具体包括：
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