CN112379347B - 一种智能反射面辅助的mimo雷达目标检测方法与电子设备 - Google Patents

一种智能反射面辅助的mimo雷达目标检测方法与电子设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种智能反射面辅助的MIMO雷达目标检测方法，包括：根据目标探测方位、智能反射面与接收阵列之间的信道状态信息，对智能反射面上的每个阵元的相移量进行优化计算得到每个阵元的优化相移量；根据得到的智能反射面的每个阵元的优化相移量对智能反射面进行控制，雷达发射探测信号并进行接收回波信号；对待检测距离单元的接收信号计算其空间谱；根据得到的空间谱，检测在该空间谱的感兴趣方向是否出现峰值，如果出现峰值，那么则表示该方向的该距离单元上存在目标。本发明利用智能反射面来增强MIMO雷达接收阵列的信号强度，改善目标检测的性能，具有更好的空间谱分辨率。本发明还提供了相应的电子设备。

Description

一种智能反射面辅助的MIMO雷达目标检测方法与电子设备
技术领域
本发明属于雷达探测技术领域，更具体地，涉及一种智能反射面辅助的MIMO雷达目标检测方法与电子设备。
背景技术
智能反射面是一种由大量低成本的被动无源反射元件组成的平面，每个元件能都能够独立地对入射信号进行相位和幅度的改变。目前，已有研究将智能反射面运用到无线通信中。通过将智能放射面放置于发送方与接收方之间，使得接收方能更好地接收发送方发送的信号。文献《Towards Smart Wireless Communications via IntelligentReflecting Surfaces:A Contemporary Survey》(IEEE Communications Surveys&Tutorials,2020)总结和展望了智能反射面在无线通信中的巨大潜力和应用前景。智能反射面在雷达领域也有一定的应用，尤其是微波成像领域。在文献《Review of MetasurfaceAntennas for Computational Microwave Imaging》(IEEE Transactions on Antennasand Propagation,vol.68,no.3)中对智能反射面在微波成像中的应用进行了综述。由此可见，智能反射面在雷达和无线通信中都具有较大的应用潜力。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种智能反射面辅助的MIMO雷达目标检测方法。利用智能反射面，改善MIMO雷达接收阵列的接收信号强度，改善雷达探测性能，提高雷达目标的空间分辨率。本发明目的在于利用智能反射面，改善雷达目标探测性能。
为了达到上述目的，本发明提供了一种智能反射面辅助的MIMO雷达目标检测方法，首先对智能反射面进行优化，然后进行目标探测。具体包括以下步骤：
步骤S1：根据目标探测方位、智能反射面与接收阵列之间的信道状态信息，对智能反射面上的每个阵元的相移量进行优化计算得到每个阵元的优化相移量。
考虑窄带集中式MIMO雷达系统，发射天线阵列和接收天线阵列分别安装有M和N根天线，天线按照半波长间距成线形放置。智能反射面上安装有K个阵元，天线也按照半波长间距线形放置。智能反射面与接收天线阵的夹角为α，目标的回波方向与接收天线阵列的夹角为θ，目标回波方向与智能反射面的夹角为θ'。接收天线阵列的接收信号可以表示为：
Figure BDA0002773514900000021
其中
Figure BDA0002773514900000022
表示接收信号矩阵，
Figure BDA0002773514900000023
和
Figure BDA0002773514900000024
分别表示发射天线阵列、接收天线阵列和智能反射面的导向矢量，且表示为：
Figure BDA0002773514900000025
Figure BDA0002773514900000026
Figure BDA0002773514900000027
Figure BDA0002773514900000028
为发射信号矩阵，
Figure BDA0002773514900000029
为第m根天线发射的长度为L的信号且SSH＝I。β(θ)为目标在θ方向的雷达截面积系数。
Figure BDA00027735149000000210
是维度为K的对角矩阵，其中βn∈[0,1]和θn∈[0,2π)分别为智能反射面上第n个阵元对入射信号进行反射后的幅度衰减值和相移量。
Figure BDA00027735149000000211
是智能反射面和接收阵列之间的信道矩阵。
Figure BDA00027735149000000212
为高斯噪声矩阵。
通过合理的设置智能反射面的相移量可以优化接收天线阵列的接收信号，但是智能反射面上阵元的幅度衰减值和相移量存在一定的联系。智能反射面上的阵元对入射信号进行反射后的幅度衰减值和相移量之间满足一定的近似函数关系β(θn)，可以表示为：
Figure BDA0002773514900000031
其中θn表示第n个阵元的相移量，β(θn)表示阵元在不同的相移量时对入射信号的衰减值。βmin和
Figure BDA0002773514900000032
是对该函数关系进行调整的常量，根据对智能反射面上阵元的实际测量结果来进行设置。
令
Figure BDA0002773514900000033
其中Λ＝diag(ar,IRS(θ'))表示由ar,IRS(θ')中的元素构成的对角矩阵；
Figure BDA0002773514900000034
和bi为b中第i个元素的相位和幅值。
为了对智能反射面上的第n个阵元进行优化，需要求解如下函数最大值优化问题
Figure BDA0002773514900000035
且θn∈[0,2π)，其中βn满足式(2)的函数关系；
Figure BDA0002773514900000036
为b中第n个元素的相位。对于f(θn)最大值的优化求解，我们采用三点的二项式近似的方法，因此可以得到三个点(x1,f(x1))(x2,f(x2))和(x3,f(x3))。当
Figure BDA0002773514900000037
时，
Figure BDA0002773514900000038
x2＝-π，and
Figure BDA0002773514900000039
当
Figure BDA00027735149000000310
时，
Figure BDA00027735149000000311
x2＝π，and
Figure BDA00027735149000000312
该三点确立的二次抛物线曲线的顶点即为最大值所在位置。
根据以上定义，智能反射面的第n个阵元的优化后的相移量为：
Figure BDA00027735149000000313
根据上述方法，可以对智能反射面上的所有的阵元进行相移量优化和控制，从而改善接收阵列接收到的目标信号。
步骤S2：根据步骤S1得到的智能反射面阵元的优化相移量对智能反射面进行控制，雷达发射探测信号并进行接收回波信号；对待检测距离单元的接收信号计算其空间谱。
接收信号的空间谱可表示为：
Figure BDA0002773514900000041
其中
Figure BDA0002773514900000042
为对目标的雷达截面积的幅值在角度θ的估计；a′r(θ)＝ar(θ)+HΦar,IRS(θ')，||·||，(·)H，(·)*和(·)-1分别表示矢量或矩阵的2范数、共轭转置、共轭和矩阵求逆；
Figure BDA0002773514900000043
Figure BDA0002773514900000044
步骤S3：根据步骤S2中的得到的空间谱，检测在该空间谱在感兴趣方向是否出现峰值，如果出现峰值，则表示该方向的该距离单元上存在目标。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的基于智能反射面的MIMO雷达目标检测方法，通过控制智能反射面上阵元的相移量，改善在接收阵列处接收的目标反射信号，通过空间谱估计对目标的雷达反射截面积进行估计来实现目标探测，可以实现更高的空间谱分辨率。
附图说明
图1为本发明实施例中智能反射面辅助的MIMO雷达目标探测系统示意图；
图2为本发明实施例中一种智能反射面辅助的MIMO雷达目标检测方法的流程示意图；
图3为本发明实施例中一种智能反射面辅助的空间谱估计图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
由于智能反射面可以根据无线环境，灵活的改变反射面上每个阵元的相位和幅度，从而增加接收方的信号功率或者抑制接收方的干扰信号。本发明利用智能反射面来增强MIMO雷达接收天线阵列的接收信号强度，改善目标检测的性能。
智能反射面辅助的MIMO(Multiple Input Multiple Output，多入多出)雷达目标探测系统示意图如图1所示。智能反射面通过无线控制链路与雷达信号处理器连接，实现智能反射面上阵元的相移量控制。雷达接收阵列同时接收目标发射的回波和目标回波经过智能反射面反射的回波。智能反射面安装在距离雷达几十到几百米的位置处。雷达根据下一脉冲需要探测的目标方向，通过无线控制链路向智能反射面控制器发送控制信号，调整智能反射面上阵元的相移量。雷达发射天线阵列发射正交信号，雷达接收天线阵列接收目标回波信号。雷达信号处理器对待检测距离单元的信号计算其空间谱，通过对目标方向的空间谱分析对目标进行探测。
如图2所示，本发明提供了一种智能反射面辅助的MIMO雷达目标检测方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：根据目标探测方位、智能反射面与接收天线阵列之间的信道状态信息，对智能反射面上的每个阵元的相移量进行优化计算得到每个阵元的优化相移量。
考虑窄带集中式MIMO雷达系统，发射天线阵列和接收天线阵列分别安装有M和N根天线，天线按照半波长间距成线形放置。智能反射面上安装有K个阵元，天线也按照半波长间距线形放置。智能反射面与接收天线阵列的夹角为α，目标的回波方向与接收天线阵列的夹角为θ，目标回波方向与智能反射面的夹角为θ'。接收天线阵列的接收信号可以表示为：
Figure BDA0002773514900000061
其中
Figure BDA0002773514900000062
表示接收信号矩阵，
Figure BDA0002773514900000063
和
Figure BDA0002773514900000064
分别表示发射阵列、接收阵列和智能反射面的导向矢量，且表示为：
Figure BDA0002773514900000065
Figure BDA0002773514900000066
Figure BDA0002773514900000067
Figure BDA0002773514900000068
为发射信号矩阵，
Figure BDA0002773514900000069
为第m根天线发射的长度为L的信号且SSH＝I。β(θ)为目标在θ方向的雷达截面积系数。
Figure BDA00027735149000000610
是维度为K的对角矩阵，其中βn∈[0,1]和θn∈[0,2π)分别为智能反射面上第n个阵元对入射信号进行反射后的幅度衰减值和相移量。
Figure BDA00027735149000000611
是智能反射面和接收阵列之间的信道矩阵。
Figure BDA00027735149000000612
为高斯噪声矩阵。
通过合理的设置智能反射面的相移量可以优化接收阵列的信号，但是智能反射面上阵元的幅度衰减值和相移量存在一定的联系。智能反射面上的阵元对入射信号进行反射后的幅度衰减值和相移量之间满足一定的近似函数关系β(θn)，可以表示为：
Figure BDA00027735149000000613
其中θn表示第n个阵元的相移量，β(θn)表示阵元在不同的相移量时对入射信号的衰减值。βmin和
Figure BDA0002773514900000071
是对该函数关系进行调整的常量，根据对智能反射面的实际测量结果来进行设置。
令
Figure BDA0002773514900000072
其中Λ＝diag(ar,IRS(θ'))表示由ar,IRS(θ')中的元素构成的对角矩阵；
Figure BDA0002773514900000073
和bi为b中第i个元素的相位和幅值。
为了对智能反射面上的第n个阵元进行优化，需要求解如下函数最大值优化问题
Figure BDA0002773514900000074
且θn∈[0,2π)，其中βn满足式(2)的函数关系；
Figure BDA0002773514900000075
为b中第n个元素的相位。对于f(θn)最大值的优化求解，我们采用三点的二项式近似的方法。因此可以取三个点(x1,f(x1))，(x2,f(x2))和(x3,f(x3))。当
Figure BDA0002773514900000076
时，
Figure BDA0002773514900000077
x2＝-π，nnd
Figure BDA0002773514900000078
当
Figure BDA0002773514900000079
时，
Figure BDA00027735149000000710
x2＝π，and
Figure BDA00027735149000000711
该三点确立的二次抛物线曲线的顶点即为最大值所在位置。
根据以上定义，智能反射面的第n个阵元的优化后的相移量为：
Figure BDA00027735149000000712
根据上述方法，可以对智能反射面上的所有的阵元进行相移量优化和控制，从而改善接收阵列接收到的目标信号。
步骤S2：根据步骤S1得到的智能反射面的每个阵元的优化相移量对反射面进行控制，雷达发射信号并进行接收信号；对待检测距离单元的接收信号计算其空间谱。
接收信号的空间谱可表示为：
Figure BDA00027735149000000713
其中
Figure BDA0002773514900000081
为对目标的雷达截面积的幅值在角度θ的估计；a′r(θ)＝ar(θ)+HΦar,IRS(θ')，||·||，(·)H，(·)*和(·)-1分别表示矢量或矩阵的2范数、共轭转置、共轭和矩阵求逆；
Figure BDA0002773514900000082
Figure BDA0002773514900000083
步骤S3：根据步骤S2中的得到的空间谱，检测在该空间谱在感兴趣方向是否出现峰值，如果出现峰值，则表示该方向的该距离单元上存在目标。
通过在空间谱的对应方向上判断该方向附件是否具有谱峰值，如果有明显的谱峰值则在对应方向上的该距离单元上存在目标。
在20个发射天线和20个接收天线的MIMO系统中，使用安装100个阵元的智能反射面，信噪比为10dB,在接收阵面50度夹角方向有目标的场景下进行仿真。图3给出了基于智能反射面辅助的MIMO雷达的空间谱估计结果。从图中可以看出使用智能反射面后，空间谱的目标分辨率更好，空间谱的主瓣更窄。
进一步地，本发明还了一种电子设备，包括：
至少一个处理器；以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述智能反射面辅助的MIMO雷达目标检测方法。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种智能反射面辅助的MIMO雷达目标检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：根据目标探测方位、智能反射面与接收阵列之间的信道状态信息，对智能反射面上的每个阵元的相移量进行优化计算得到每个阵元的优化相移量；具体为：
发射天线阵列和接收天线阵列分别安装有M和N根天线，天线按照半波长间距成线形放置，智能反射面上安装有K个阵元，天线也按照半波长间距线形放置；智能反射面与接收天线阵的夹角为α，目标的回波方向与接收天线阵列的夹角为θ，目标回波方向与智能反射面的夹角为θ'；接收天线阵列的接收信号表示为：
Figure FDA0003514147510000011
其中
Figure FDA0003514147510000012
表示接收信号矩阵，
Figure FDA0003514147510000013
和
Figure FDA0003514147510000014
分别表示发射天线阵列、接收天线阵列和智能反射面的导向矢量，且表示为：
Figure FDA0003514147510000015
Figure FDA0003514147510000016
Figure FDA0003514147510000017
Figure FDA0003514147510000018
为发射信号矩阵，
Figure FDA0003514147510000019
为第m根天线发射的长度为L的信号且SSH＝I；β(θ)为目标在θ方向的雷达截面积系数；
Figure FDA00035141475100000110
是维度为K的对角矩阵，其中βn∈[0,1]和θn∈[0,2π)分别为智能反射面上第n个阵元对入射信号进行反射后的幅度衰减值和相移量；
Figure FDA0003514147510000021
是智能反射面和接收天线阵列之间的信道矩阵，
Figure FDA0003514147510000022
为高斯噪声矩阵；
智能反射面上的每个阵元对入射信号进行反射后的幅度衰减值和相移量之间满足一定的近似函数关系β(θn)，表示为：
Figure FDA0003514147510000023
其中θn表示第n个阵元的相移量，β(θn)表示阵元在不同的相移量时对入射信号的衰减值；βmin和
Figure FDA0003514147510000024
是对该函数关系进行调整的常量，根据对智能反射面上阵元的实际测量结果来进行设置；
令
Figure FDA0003514147510000025
其中Λ＝diag(ar,IRS(θ'))表示由ar,IRS(θ')中的元素构成的对角矩阵；
Figure FDA0003514147510000026
和bi为b中第i个元素的相位和幅值；
为对智能反射面上的第n个阵元进行优化，求解如下函数最大值优化问题
Figure FDA0003514147510000027
且θn∈[0,2π)，其中βn满足式(2)的函数关系；
Figure FDA0003514147510000028
为b中第n个元素的相位；对于f(θn)最大值的优化求解，采用三点的二项式近似的方法，得到三个点(x1,f(x1))，(x2,f(x2))和(x3,f(x3))；当
Figure FDA0003514147510000029
时，
Figure FDA00035141475100000210
x2＝-π，
Figure FDA00035141475100000211
当
Figure FDA00035141475100000212
时，
Figure FDA00035141475100000213
x2＝π，
Figure FDA00035141475100000214
该三点确立的二次抛物线曲线的顶点即为最大值所在位置；
根据以上定义，智能反射面的第n个阵元的优化后的相移量为：
Figure FDA00035141475100000215
步骤S2：根据步骤S1得到的智能反射面的每个阵元的优化相移量对智能反射面进行控制，雷达发射探测信号并进行接收回波信号；对待检测距离单元的接收信号计算其空间谱；
步骤S3：根据步骤S2中的得到的空间谱，检测在该空间谱的感兴趣方向是否出现峰值，如果出现峰值，则表示该方向的该距离单元上存在目标。
2.如权利要求1所述的智能反射面辅助的MIMO雷达目标检测方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：
接收信号的空间谱表示为：
Figure 1
其中
Figure FDA0003514147510000032
为对目标的雷达截面积的幅值在角度θ的估计；a′r(θ)＝ar(θ)+HΦar,IRS(θ')，||·||，(·)H，(·)*和(·)-1分别表示矩阵的2范数、共轭转置、共轭和矩阵求逆；
Figure FDA0003514147510000033
3.一种电子设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1-2任一项所述的智能反射面辅助的MIMO雷达目标检测方法。
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