CN111505597A - 一种消除雷达波束赋形栅瓣的方法及天线 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种消除雷达波束赋形栅瓣的方法与天线，应用在汽车电子产品中，所述方法包括：在相邻的两个实际阵元内插设虚拟阵元；通过所述实际阵元的接收通道数据，对所述虚拟阵元进行拟合，并生成拟合系数；根据所述拟合系数和实际接收信号，拟合出所述虚拟阵元对应的拟合接收信号；对所述虚拟阵元的接收信号进行波束赋形。其有益效果在于：本申请通过在相邻实际阵元内插设虚拟阵元，解决了大间距的MIMO虚拟阵和非MIMO虚拟阵，作波束赋形时出现栅瓣，导致测角模糊的问题。同时，在考虑实际误差模型的基础上，内插法会改善精度，并且可以有效抑制栅瓣的产生。

Description

一种消除雷达波束赋形栅瓣的方法及天线
技术领域
本申请涉及汽车电子技术领域，特别涉及一种消除雷达波束赋形栅瓣的方法及天线。
背景技术
毫米波雷达，是工作在毫米波波段探测的雷达。通常毫米波是指30～300GHz 频域的。毫米波的波长介于微波和厘米波之间，因此毫米波雷达兼有微波雷达和光电雷达的一些优点。同厘米波导引头相比，毫米波导引头具有体积小、质量轻和空间分辨率高的特点。与红外、激光、电视等光学导引头相比，毫米波导引头穿透雾、烟、灰尘的能力强，具有全天候(大雨天除外)全天时的特点。另外，毫米波导引头的抗干扰、反隐身能力也优于其他微波导引头。毫米波雷达能分辨识别很小的目标，而且能同时识别多个目标。
为了进一步地提高无线通信的传输速率和雷达的分辨率，毫米波频段逐渐成为了研究重点。为进一步提高77GHz雷达的竞争力，改善雷达的角分辨率成为关重点提升指标。
77GHz雷达的物理角度分辨率主要是由MIMO虚拟阵列口径决定。为了控制硬件成本，收发通道的数目固定，在这种情况下，改善分辨率的常用方法是使用稀疏阵的布阵方式，但是稀疏阵由于间距大于半波长，作常规波束成形会在 FOV内会产生栅瓣，这些栅瓣在后期的测角算法处理过程会导致角度模糊。
发明内容
本申请为了解决上述技术问题，提供了一种消除雷达波束赋形栅瓣的方法，应用在汽车电子产品中，所述方法包括：
在相邻的两个实际阵元内插设虚拟阵元；
通过所述实际阵元的接收通道数据，对所述虚拟阵元进行拟合，并生成拟合系数；
根据所述拟合系数和实际接收信号，拟合出所述虚拟阵元对应的拟合接收信号；
对所述虚拟阵元的接收信号进行波束赋形。
可选地，所述在相邻的两个实际阵元内插设虚拟阵元，包括：
所述实际阵元、虚拟阵元沿直线分布。
可选地，相邻的所述实际阵元的间距大于半波长。
可选地，相邻的所述实际阵元、所述虚拟阵元之间的间距小于或等于半波长。
可选地，所述通过所述实际阵元的接收通道数据，对所述虚拟阵元进行拟合，并生成拟合系数，包括：
根据所述实际阵元的方向和角度，计算出第一导向矢量公式；
根据所述虚拟阵元的方向和角度，计算出第二导向矢量公式；
根据所述第一导向矢量公式和第二导向矢量公式，通过最小二乘法，拟合出拟合公式，并求得拟合系数。
可选地，所述拟合公式为：
β＝(AT·A+δI)-1·AT·ai′；
其中，β为拟合系数，A为第一导向矢量公式，ai′为第二导向公式，i为虚拟阵元的序数，δI为避免AT·A接近奇异接近奇异的对角加载因子。
可选地，所述根据所述拟合系数和实际接收信号，拟合出所述虚拟阵元对应的拟合接收信号，包括：
所述拟合接收信号，通过
Figure BDA0002465779370000031
进行计算，其中，
Figure BDA0002465779370000032
为拟合接收信号，X(t)为实际接收信号，β为拟合系数。
可选地，所述对所述虚拟阵元的接收信号进行波束赋形，包括：
通过公式P_CBF＝(W·X)·(W·X)H，对所述虚拟阵元进行波束赋形，得到角度分辨率的测角结果。
此外，本申请还公开了一种天线，包括上述的一种消除雷达波束赋形栅瓣的方法。所述天线还包括沿直线设置的实际阵元、以及设置在相邻两所述实际阵元内的虚拟阵元；
其中，相邻的两所述实际阵元的间距大于半波长，相邻的所述实际阵元、所述虚拟阵元之间的间距小于或等于半波长。
本申请的一种消除雷达波束赋形栅瓣的方法及天线，其有益效果在于：本申请通过在相邻实际阵元内插设虚拟阵元，解决了大间距的MIMO虚拟阵和非 MIMO虚拟阵，作波束赋形时出现栅瓣，导致测角模糊的问题。同时，在考虑实际误差模型的基础上，内插法会改善精度，并且可以有效抑制栅瓣的产生。
附图说明
图1为本申请实施例的实际阵元示意图。
图2为本申请实施例的实际阵元内插虚拟阵元示意图。
图3为本申请实施例的用实际通道的数据与内插阵元通道数据的幅度拟合误差示意图。
图4为本申请实施例的用实际通道的数据与内插阵元通道数据的相位拟合误差示意图。
图5为本申请实施例的实际阵元作波束赋形后的功率谱图。
图6为本申请实施例的内插后的虚拟阵元作波束赋形后的功率谱图。
图7为本申请实施例的SNR对内插后虚拟阵元作波束赋形后的功率谱影响示意图。
图8为本申请实施例的加上导向矢量误差后实际阵元作波束赋形后的功率谱示意图。
图9为本申请实施例的加上导向矢量误差后内插后虚拟阵元作波束赋形后的功率谱示意图。
图10为本申请实施例的实际阵元位置误差对实际阵元作波束赋形后的功率谱影响示意图。
图11为本申请实施例的实际阵元位置误差对内插后虚拟阵元作波束赋形后的功率谱影响示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请的较佳实施例进行详细阐述，以使本申请的优点和特征更易被本领域技术人员理解，从而对本申请的保护范围作出更为清楚的界定。
在如图1所示的实施例中，本申请提供了一种消除雷达波束赋形栅瓣的方法，应用在汽车电子产品中，本方法包括：
在相邻的两个实际阵元内插设虚拟阵元；
在本实施例中，在相邻的两个实际阵元内插设虚拟阵元在每两个相邻的实际阵元中插设一个虚拟阵元。实际阵元、虚拟阵元沿直线分布。相邻的实际阵元的间距大于半波长。相邻的实际阵元、虚拟阵元之间的间距小于或等于半波长。
通过实际阵元的接收通道数据，对虚拟阵元进行拟合，并生成拟合系数；
在本实施例中，具体步骤可以为包括：根据实际阵元的方向和角度，计算出第一导向矢量公式；根据虚拟阵元的方向和角度，计算出第二导向矢量公式；根据第一导向矢量公式和第二导向矢量公式，通过最小二乘法，拟合出拟合公式，并求得拟合系数。
根据拟合系数和实际接收信号，拟合出虚拟阵元对应的拟合接收信号；
在本实施例中，拟合接收信号，通过
Figure BDA0002465779370000051
进行计算，其中，
Figure BDA0002465779370000052
为拟合接收信号，X(t)为实际接收信号，β为拟合系数。通过拟合系数和实际接收信号，计算出虚拟阵元对应的拟合接收信号。
对虚拟阵元的接收信号进行波束赋形。
在本实施例中，具体可以包括：通过公式P_CBF＝(W·X)·(W·X)H，对虚拟阵元进行波束赋形，得到角度分辨率的测角结果。
本申请的一种消除雷达波束赋形栅瓣的方法及天线，通过在相邻实际阵元内插设虚拟阵元，解决了大间距的MIMO虚拟阵和非MIMO虚拟阵，作波束赋形时出现栅瓣，导致测角模糊的问题。同时，在考虑实际误差模型的基础上，内插法会改善精度，并且可以有效抑制栅瓣的产生。
在一些实施例中，在相邻的两个实际阵元内插设虚拟阵元，包括：实际阵元、虚拟阵元沿直线分布。相邻的实际阵元的间距大于半波长。相邻的实际阵元、虚拟阵元之间的间距小于或等于半波长。参见图1，图1的实际阵元如图所示的圆点，沿直线分布，其间距为d1，其中，d1的值大于半波长；实际阵元的数量可以为N，其中，N为大于等于1的自然数。参见图2，圆点为实际阵元，三角形为虚拟阵元；如图2所示，每个虚拟阵元插设在相邻实际阵元内，各虚拟阵元均设置所有实际阵元的连线上；相邻的虚拟阵元和实际阵元之间的间距为d2，其中， d2的值小于或等于半波长；虚拟阵元的个数为M，其中，M为大于等于1的自然数。本申请通过设置相邻的实际阵元的间距大于半波长。相邻的实际阵元、虚拟阵元之间的间距小于或等于半波长；以消除栅瓣，使测角更加清晰。
在一些实施例中，通过实际阵元的接收通道数据，对虚拟阵元进行拟合，并生成拟合系数，包括：
根据实际阵元的方向和角度，计算出第一导向矢量公式
Figure BDA0002465779370000061
其中，a1-aN为实际阵元的方向，θ1-θq为实际阵元的角度。
根据内插虚拟阵元的方向和角度，计算出第二导向矢量公式 ai′＝[ai′(θ1),ai′(θ2),……ai′(θq),]T，其中，i为虚拟阵元的序数，若虚拟阵元的个数为n，则i＝1、2、…、n；不同的虚拟阵元对应不同的β。
根据第一导向矢量公式和第二导向矢量公式，通过最小二乘法，其公式为 a1′＝Aβ+ε，ε为噪声，拟合出拟合公式β＝(AT·A+δI)-1·AT·ai′，使得噪声ε最小，AT·A接近奇异，δI影响很小，对公司进行修正，并求得系数β的唯一解，即拟合系数；
其中，β为拟合系数数组，β为β[1,2,…,i]，A为第一导向矢量公式，ai′为第二导向公式，i为虚拟阵列的序数，每个ai′对应一个βi，δI为避免AT·A接近奇异的对角加载因子。
在上述实施例中，根据拟合系数和实际接收信号，拟合出虚拟阵元对应的拟合接收信号，包括：拟合接收信号，通过
Figure BDA0002465779370000062
进行计算，其中，
Figure BDA0002465779370000063
为拟合接收信号，X(t)为实际接收信号，β为拟合系数。参见图3-4，图3为用实际通道的数据与内插虚拟阵元通道数据的幅度拟合误差示意图；图4为用实际通道的数据与内插阵元通道数据的相位拟合误差示意图。
在一些实施例中，对虚拟阵元的接收信号进行波束赋形，包括：通过公式 P_CBF＝(W·X)·(W·X)H，对虚拟阵元进行波束赋形，得到角度分辨率的测角结果。其中，W为权重，X为所有的信号，H是共轭转置。参见图5-11：图5 为图1原实际阵元作波束赋形的功率谱图，如图5所示，在目标处1-4和栅瓣处 5-8同样突出。图6为内插后的虚拟阵元作波束赋形后的功率谱图，如图6所示，谱峰仅在目标处1-4。消除了图5所示的栅瓣处5-8。图7为SNR对内插后虚拟阵元作波束赋形后的功率谱影响示意图。图8为加上导向矢量误差后实际阵元作波束赋形后的功率谱示意图。图9为加上导向矢量误差后内插后虚拟阵元作波束赋形后的功率谱示意图。图10为实际阵元位置误差对实际阵元作波束赋形后的功率谱影响示意图。图11实际阵元位置误差对内插后虚拟阵元作波束赋形后的功率谱影响示意图。根据上述图所示，本申请通过在相邻实际阵元内插设虚拟阵元，解决了大间距的MIMO虚拟阵和非MIMO虚拟阵，作波束赋形时出现栅瓣，导致测角模糊的问题。同时，在考虑实际误差模型的基础上，内插法会改善精度，并且可以有效抑制栅瓣的产生。
在一些实施例中，本申请还公开了一种天线，包括上述的一种消除雷达波束赋形栅瓣的方法。本天线还包括沿直线设置的实际阵元、以及设置在相邻两所述实际阵元内的虚拟阵元；其中，相邻的两实际阵元的间距大于半波长，相邻的所述实际阵元、虚拟阵元之间的间距小于或等于半波长。本申请通过在相邻实际阵元内插设虚拟阵元，解决了大间距的MIMO虚拟阵和非MIMO虚拟阵，作波束赋形时出现栅瓣，导致测角模糊的问题。同时，在考虑实际误差模型的基础上，内插法会改善精度，并且可以有效抑制栅瓣的产生。
上面结合附图对本申请的实施方式作了详细说明，但是本申请并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本申请宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (9)

1.一种消除雷达波束赋形栅瓣的方法，其特征在于，应用在汽车电子产品中，其特征在于，所述方法包括：
在相邻的两个实际阵元内插设虚拟阵元；
通过所述实际阵元的接收通道数据，对所述虚拟阵元进行拟合，并生成拟合系数；
根据所述拟合系数和实际接收信号，拟合出所述虚拟阵元对应的拟合接收信号；
对所述虚拟阵元的接收信号进行波束赋形。
2.根据权利要求1所述的一种消除雷达波束赋形栅瓣的方法，其特征在于，所述在相邻的两个实际阵元内插设虚拟阵元，包括：
所述实际阵元、虚拟阵元沿直线分布。
3.根据权利要求2所述的一种消除雷达波束赋形栅瓣的方法，其特征在于，相邻的两所述实际阵元的间距大于半波长。
4.根据权利要求2所述的一种消除雷达波束赋形栅瓣的方法，其特征在于，相邻的所述实际阵元、所述虚拟阵元之间的间距小于或等于半波长。
5.根据权利要求1所述的一种消除雷达波束赋形栅瓣的方法，其特征在于，所述通过所述实际阵元的接收通道数据，对所述虚拟阵元进行拟合，并生成拟合系数，包括：
根据所述实际阵元的方向和角度，计算出第一导向矢量公式；
根据所述虚拟阵元的方向和角度，计算出第二导向矢量公式；
根据所述第一导向矢量公式和第二导向矢量公式，通过最小二乘法，拟合出拟合公式，并求得拟合系数。
6.根据权利要求5所述的一种消除雷达波束赋形栅瓣的方法，其特征在于，所述拟合公式为：
β＝(AT·A+δI)-1·AT·ai′；
其中，β为拟合系数，A为第一导向矢量公式，ai′为第二导向公式，i为虚拟阵元的序数，δI为避免AT·A接近奇异接近奇异的对角加载因子。
7.根据权利要求1所述的一种消除雷达波束赋形栅瓣的方法，其特征在于，所述根据所述拟合系数和实际接收信号，拟合出所述虚拟阵元对应的拟合接收信号，包括：
所述拟合接收信号，通过
Figure FDA0002465779360000021
进行计算，其中，
Figure FDA0002465779360000022
为拟合接收信号，X(t)为实际接收信号，β为拟合系数。
8.根据权利要求1所述的一种消除雷达波束赋形栅瓣的方法，其特征在于，所述对所述虚拟阵元的接收信号进行波束赋形，包括：
通过公式P_CBF＝(W·X)·(W·X)H，对所述虚拟阵元进行波束赋形，得到角度分辨率的测角结果。
9.一种天线，其特征在于，包括权利要求1-8所述的一种消除雷达波束赋形栅瓣的方法，所述天线还包括沿直线设置的实际阵元、以及设置在相邻两所述实际阵元内的虚拟阵元；
其中，相邻的两所述实际阵元的间距大于半波长，相邻的所述实际阵元、所述虚拟阵元之间的间距小于或等于半波长。
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