CN111257879A

CN111257879A - 基于二范数解决毫米波mimo雷达目标分裂的方法

Info

Publication number: CN111257879A
Application number: CN202010092421.7A
Authority: CN
Inventors: 王启霞; 张弓; 胡文
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2020-02-14
Filing date: 2020-02-14
Publication date: 2020-06-09
Anticipated expiration: 2040-02-14
Also published as: CN111257879B

Abstract

本发明公开了基于二范数解决毫米波MIMO雷达目标分裂的方法，具体为：根据发射天线打开的顺序，将MN个通道的回波信号排序后做二维FFT，得到距离‑多普勒维模糊图；叠加每个频域信号并进行CFAR处理，得到Num个距离‑多普勒维的目标，分析第i个目标的回波信号；在‑π～π中取L组相位值作为补偿相位，利用数字波束形成法，得到L组输出功率及输出功率结果图，在L组输出功率中选择L₂范数最大的一组，并根据该组的输出功率结果图，判断第i个距离‑多普勒维的目标是否存在分裂，若是，重新取L个相位值进行计算，直至该目标不存在分裂；否则根据该组的输出功率结果图得到该目标的角度维的值。本发明有效的解决了同一距离‑多普勒门内存在多个目标目标分裂的问题。

Description

基于二范数解决毫米波MIMO雷达目标分裂的方法

技术领域

本发明属于MIMO雷达信号处理技术领域，尤其涉及一种基于二范数解决毫米波MIMO雷达目标分裂的方法。

背景技术

在智能交通中，传感器的种类多样，而毫米波雷达有着不受光线影响、不受天气影响、价格低、可靠性高等诸多优点，以及近几年国内射频技术的不断发展，毫米波雷达的应用研发成为一种趋势。

多输入多输出(MIMO)雷达是一种提高调频连续波(FMCW)雷达角度估计能力的技术。使用MIMO雷达，多个TX天线传输到同一组RX天线。来自多个TX天线的信号需要是正交的(即不应互相干扰)。FDM-MIMO在发送和接收链上增加了硬件复杂性。CDM-MIMO导致性能下降(由于反扩展噪声)和计算需求显著增加。

因此，TDM-MIMO在提供正交性方面优于其他方法，但由于TDM的MIMO波形是时间交错线性调频连续波(LFMCW)波形，当目标速度足够大时，导致不同的发射波形到达目标之间产生相位差，最终导致在测角过程中目标出现分裂，无法达到正确估计目标方位的效果。

目前一些文献提出了通过找到相位补偿峰值的方式来补偿相位差,专利US201514962092中指出了TDM-MIMO存在的测速范围低的问题，并提出了一种基于编码信号即CDM方式的MIMO汽车雷达系统。专利CN108594233A中指出了TDM-MIMO的速度模糊问题,并提出了通过比较多路补偿系数下FFT输出后的幅度最大值进行相位补偿。

上述的技术方案是针对单个目标进行的相位补偿，在实际应用场景中，可能会出现多个目标以同速度同距离门运动的情况，此时现有的技术只能补偿其中一个目标的相位，会造成漏检目标的后果。

发明内容

发明目的：为解决现有技术存在漏检目标等问题，本发明提供一种基于二范数解决毫米波MIMO雷达目标分裂的方法。

技术方案：本发明提供一种基于二范数解决毫米波MIMO雷达目标分裂的方法，该方法适用于测量单个或多个目标；具体包括如下步骤：

步骤1：对M根等间距设置的发射端采用时分多址的方式进行波形配置，则第一～第M根发射天线依次打开，时间间隔为T_c；N根等间距设置的接收天线同时接收每根发射天线产生的回波信号；

步骤2：将M根发射天线、N根接收天线等效成MN个通道；根据发射天线打开的顺序，将MN个通道的回波信号进行排序；得到S＝[s₁₁、s₁₂、…、s_1N，s₂₁、…、s_2N，…，s_M1、…、s_MN]，对排序完的回波信号在距离维做N_r点的傅里叶变换，再在速度维做M_d点的傅里叶变换，得到距离-多普勒维模糊图及每个通道的频域信号S_mn(n_r，m_d)，其中，1≤n_r≤N_r，1≤m_d≤M_d，n＝1，2，3，...，N；m＝1，2，3，...，M；

步骤3：将MN个频域信号叠加，并对叠加后的频域信号进行恒虚警处理，得到Num个距离-多普勒维的目标；

步骤4：对第i个距离-多普勒维的目标的回波信号做字波束形成，i＝1，2，3，……Num，得到数字波束形成的输出功率P_DBF＝aR_xa^H，其中R_x为第i个目标的回波信号的协方差矩阵，H为共轭转置，加权矢量

其中

d为收发天线的等效间距，θ表示雷达方位角的测角范围，该输出功率的维度B由雷达测角范围决定；

步骤5：令补偿相位

的范围为[-π，π]，在该范围中取L个相位值，且每个相位值之间的步长相等，L为正整数；根据加权矢量、L个相位值、数字波束形成法，则得到L个相位值对应的输出功率及输出功率结果图；

步骤6：基于维度B和L，构造一个维度为B*L的矩阵，该矩阵中的每列对应L个输出功率中的一个输出功率；计算每列的L₂范数，选择L₂范数最大的那一列所对应的输出功率；

步骤7：根据步骤6中L₂范数最大的那一列所对应的输出功率对应的输出功率结果图，判断是第i个距离-多普勒维的目标是否存在分裂，若是，则转步骤5，否则，将该输出功率结果图作为最终的输出功率结果图，并转步骤8；

步骤8：根据最终的输出功率结果图，得到第i个距离-多普勒维的目标在角度维上的值，并转步骤9；

步骤9：判断i是否大于等于Num,若是，则停止计算；否则i+1，并转步骤4。

进一步的，所述步骤4中，维度B由雷达测角范围决定具体为：以

为步长，θ在

中依次取值，则B＝(2k+1)*1。

进一步的，所述步骤5中得到L组不同的输出功率及输出功率结果图的具体方法为：将L个补偿相位分别补偿至加权矢量a中，得到L个新的加权矢量；第l个加权矢量

即

其中

为第l个补偿相位；将这L个新的加权矢量分别用于数字波束形成，则得到L个补偿相位对应的输出功率及输出功率结果图。

进一步的，所述步骤8中得到目标i的回波信号在角度维上的值的具体方法为：将最终的输出功率结果图中的峰值所在的位置作为角度维上的值。

有益效果：本发明补偿不同相位到加权矢量，得到多组输出功率，比较这多组输出功率的L₂范数并取最大二范数所对应的相位信息，将其补偿至加权矢量重新进行数字波束形成(DBF)，即可解决同一距离-多普勒门内多个目标目标分裂的问题。

附图说明

图1是本发明的毫米波MIMO雷达天线排布示意图。

图2是本发明的TDM-MIMO雷达发射波形图。

图3是本发明的实测数据距离-多普勒二维模糊图。

图4是本发明的L₂范数相位补偿实测单目标分裂结果图，其中(a)为一个目标在方位向上分裂的情况，(b)为通过二范数方法相位补偿后的图；

图5是本发明的L₂范数相位补偿两目标分裂的对比图；其中(a)为方位上存在两个目标分裂情况下的图，(b)为通过二范数方法相位补偿后的图；

图6是本发明的L₂范数相位补偿三目标分裂的对比图；其中(a)为方位上存在三个目标分裂情况下的图，(b)为通过二范数方法相位补偿后的图；

图7是本发明的流程图。

具体实施方式

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

如图7所示，本实施例提供一种基于二范数解决毫米波MIMO雷达目标分裂的方法，其步骤如下：

步骤1、本实施例的天线布局如图1所示，毫米波MIMO雷达包含M个发射天线，N个接收天线，发射天线之间的间距为d1，接收天线之间的间距为d2，MIMO体制等效成一发多收的相控阵体制时，收发天线的等效间距为d。

步骤2、毫米波MIMO雷达为了保证发射波形具有良好的正交性，在发射端多采用时分多址(TDM)的方式进行波形配置，即一个脉冲周期内包含M个子脉冲，每个子脉冲在时间上错开波形脉冲重复周期的1/M，因此，在实际测试中，发射天线是按照1、2、……、M的顺序依次打开的，且每个发射天线工作的时间为T_c，而N个接收天线同时接收每个发射天线产生的回波信号。本实施例的发射天线波形配置方式如图2所示。

步骤3、M个发射天线、N个接收天线等效成MN个通道，由于TDM的配置方式，在接收端根据发射天线开启的顺序，对MN个通道的回波信号重新排序得到S＝[s₁₁、s₁₂、…、s_1N，s₂₁、…、s_2N，…，s_M1、…、s_MN]，对排完序的回波信号先在距离维做N_r点的傅里叶变换(FFT)，再在速度维做M_d点的傅里叶变换(FFT)，得到距离-多普勒维模糊图及每个通道的频域信号S_mn(n_r，m_d)，其中，1≤n_r≤N_r，1≤m_d≤M_d，n＝1，2，3，...，N；m＝1，2，3，...，M；距离-多普勒维模糊图如图3所示。

步骤4、将MN个频域信号幅值叠加得到S_2DFFT，对S_2DFFT进行恒虚警(CFAR)处理，得到Num个距离-多普勒维的目标，并得到每个目标对应的距离门r_i、多普勒门d_i(i＝1，......，Num，)，可计算得每个目标的距离、速度信息。

步骤5、对第i个距离-多普勒维的目标的回波信号S(r_i，d_i)做数字波束形成(DBF)；S(r_i，d_i)＝[s₁₁(r_i，i)、……、s_1N(r_i，d_i)，……，s_M1(r_i，d_i)、……s_MN(r_i，d_i)]，从而求得第i个距离-多普勒门上目标的角度信息，i＝1，2，3，……Num；具体为：首先求S(r_i，d_i)的协方差矩阵R_x＝E[S(r_i，d_i)S^H(r_i，d_i)]，H为共轭转置，E(.)为均值函数，再求输出功率P_DBF＝aR_xa^H,其中，加权矢量

(

d为等效天线间距，θ表示雷达方位角的测角范围)，P_DBF的向量维度B由θ决定，方位角θ以步长为

在

中依次取值，k为正整数，则B＝(2k+1)*1；本实施例假设θ以步长1°遍历测角范围-90°～90°，则此时P_DBF为一个181×1的向量。

步骤6、在实际应用中，由于采用时间交错(TDM)配置发射波形的方式，当目标静止或低速运动时，各通道发射波形的时间差对最终测速测角结果影响不大，然而当目标速度足够大时，发射天线开启的时间差会造成各发射天线间产生较大的相位差，使得目标在方位向上产生分裂，无法测得目标真实的角度信息。

为了补偿上述提及的相位差，本实施例构造一个简单的优化模型：令补偿相位

的范围为[-π，π]，在该范围中取L个相位值，且每个相位值之间的步长相等，L为正整数；本实施例以步长为

依次取21个相位值，将这些相位依次补偿至加权矢量a中，可得21组新的加权矢量；领第l个补偿相位为

则第l个新的加权矢量

即

再将这21组不同的新的加权矢量用于数字波束形成(DBF)，可得到21组不同的输出功率以及输出功率结果图，其具体流程如下所示：

for

R_x＝E[S(r_i，d_i)S^H(r_i，d_i)]

end

P′_DBF(1：21)＝w(1：21)R_xw^H(1：21)；

P’_DBF(1：21)为21个补偿相位对应的的输出功率。

步骤7、基于维度B和L，构造一个维度为B*L的矩阵P，该矩阵中的每列对应L组输出功率中的一组输出功率；计算每列的L₂范数，并选择L₂范数最大的那一列所对应的输出功率；本实施例中构造的矩阵维度大小为181×21的矩阵P，不同的列表示补偿了不同相位得到的输出功率，计算每列数据的L₂范数并比较得到最大L₂范数所对应的列号u；具体为：

其中j为矩阵的列号。

步骤8、根据步骤7中L₂范数最大的那一列所对应的输出功率对应的输出功率结果图，判断是第i个距离-多普勒维的目标是否存在分裂(以但目标为例：若输出功率结果图有一个高的主瓣和低旁瓣，如图4b所示，则认定该第i个距离-多普勒维的目标不存在分裂；若输出功率结果图中有多个峰值，如图4a所示，则认定该第i个距离-多普勒维的目标存在分裂)，若是，则转步骤6，否则，该将输出功率结果图所对应的补偿相位作为最优补偿相位，该最优补偿相位所对应的加权矢量作为正确的矢量，从而解决了目标分裂的问题；并将该输出功率结果图作为最终的输出功率结果图，转步骤9；

步骤9：将最终的输出功率结果图上的峰值所在的位置作为第i个距离-多普勒维的目标的回波信号在角度维上的值。

上述步骤是针对一个距离-速度门内的目标进行的相位补偿，恒虚警检测(CFAR)可以检测到多个距离-多普勒门内的目标，重复上述步骤中的操作，从而将所有目标点的信息进行准确解算，该方法能够较好地应用于交通雷达中，检测车辆情况。

由图4的(a)、(b)，图5(a)、(b)、图6(a)、(b)可知，本发明能有效的解决同一距离多普勒门内多个目标分裂的情况，同时获得准确的目标角度。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims

1.基于二范数解决毫米波MIM0雷达目标分裂的方法，该方法适用于测量单个或多个目标；其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤4：对第i个距离-多普勒维的目标的回波信号做字波束形成，i＝1，2，3，…··Num；得到数字波束形成的输出功率P_DBF＝aR_xa^H，其中R_x为第i个目标的回波信号的协方差矩阵，H为共轭转置，加权矢量

其中

步骤5：令补偿相位

步骤9：判断i是否大于等于Num，若是，则停止计算；否则i+1，并转步骤4。

2.根据权利要求1所述的基于二范数解决毫米波MIMO雷达目标分裂的方法，其特征在于，所述步骤4中，维度B由雷达测角范围决定具体为：以

为步长，θ在

中依次取值，则B＝(2k+1)*1。

3.根据权利要求1所述的基于二范数解决毫米波MIMO雷达目标分裂的方法，其特征在于，所述步骤5中得到L组不同的输出功率及输出功率结果图的具体方法为：将L个补偿相位分别补偿至加权矢量a中，得到L个新的加权矢量；第l个加权矢量

即

其中

4.根据权利要求1所述的基于二范数解决毫米波MIMO雷达目标分裂的方法，其特征在于，所述步骤8中得到目标i的回波信号在角度维上的值的具体方法为：将最终的输出功率结果图中的峰值所在的位置作为角度维上的值。