CN112612020B - 一种新型毫米波雷达信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本公开的雷达信号处理方法，布局毫米波雷达虚拟天线阵列，当方位角大于虚拟天线的测量方位角时，实际相位差与测量相位差存在周期偏差；测量相位差，根据相位法测角原理计算模糊方位角；将模糊方位角代入俯仰补偿相位差公式得到俯仰补偿相位差，利用俯仰补偿相位差对天线阵元补偿后根据相位法测角原理得到俯仰角；将俯仰角代入俯仰补偿相位差公式得到方向维俯仰补偿相位差，利用方向维俯仰补偿相位差对天线阵元进行相位补偿后根据相位法测角原理得到不模糊方位角；比较模糊方位角和不模糊方位角，当两者相等时得到俯仰角的真实值。能够无需额外增加天线数量情况下，实现较大的FOV和较高的角度分辨率，有效调和角度分辨率和方位角范围的矛盾。

Description

一种新型毫米波雷达信号处理方法

技术领域

本公开属于雷达技术领域，特别涉及一种新型毫米波雷达信号处理方法。

背景技术

在车载雷达设计中，通常使用相位法测角作为被测目标方位角的探测方法。使用若干不同空间位置的天线获取被测目标的各个回波的相位，由于回波波程差ΔR(ΔR＝dsinθ)的存在产生相位差，通过相位差计算被测目标的方位角(根据)。理论上来说，若已知各个回波的相位差，可以准确地计算出被测目标方位角，然而在测量过程中，相位差被限制在(-π,π)之间，相位差的实际值与测量值之间存在若干个周期的偏移，即称为相位模糊。

当相位差取±π时，方位角等于最大不模糊角度/>方位角的测角范围为/>因此，天线间距d越小,测角范围越大，但是角度分辨率增大，不利于在角度维分辨被测目标。

由上述分析可见，测角范围与角度分辨率之间存在不可调和的矛盾。通常采用MIMO(Multiple Input Multiple Output，多输入多输出)技术，增加虚拟天线数量(N_tol＝N_RX*N_TX)来提高角度分辨率。图1示出一组汽车雷达阵列能够达到30°的角度分辨率，图2示出当两被测目标角度相差30°时，无法将二者在角度维分开。其测角方法如下，首先记录每对发射-接收天线对应的差拍信号，会有N_tol个回波信号，分别对其做二维FFT(FastFourier Transform，快速傅里叶变换)，每个二维FFT对应一个虚拟天线，得到N_tol个幅频特性矩阵；然后对N_tol个虚拟天线对应的幅频特性矩阵分别做2D-CFAR(2D-Constant False-Alarm Rate，二维恒虚警率)，记录有效频点对应的位置，将对应位置的角度做角度维FFT，得到目标的方位角。

虽然MIMO技术实现了天线阵列数的成倍增加，每增加一根发射天线，虚拟阵列将增加接收天线数量的一倍，一定程度上有效提高了测角分辨率，但是天线数量增加引起雷达体积增大、成本增加。且在天线数量有限的情况下，角度分辨率随天线间距的增加而提高，然而视场角FOV随之减小，无法同时兼顾角度分辨率与FOV两个指标。

发明内容

有鉴于此，本公开提出了一种新型毫米波雷达信号处理方法，能够在有限天线数量情况下，实现较大的视场角FOV和较高的角度分辨率，无需额外增加处理算法能够在完成俯仰角的同时，有效调和角度分辨率和测量方位角范围的矛盾，且减小雷达体积和重量、降低成本。

根据本公开的一方面，提出了一种新型毫米波雷达信号处理方法，所述方法包括：

基于FMCW信号模型布局毫米波雷达阵列，得到与毫米波雷达阵列相对应的毫米波雷达虚拟天线阵列，当被测目标方位角大于所述毫米波雷达虚拟天线的测量方位角的范围时，所述被测目标的实际相位差与测量相位差存在n个周期偏差，n为正整数；

测量毫米波雷达虚拟天线阵列的相位差，根据所述虚拟天线阵元间距d和所述测量相位差的相位差测角原理计算被测目标的模糊方位角，遍历n值得到被测目标的一组模糊方位角；

将所述一组模糊方位角代入俯仰补偿相位差公式得到一组俯仰补偿相位差，利用所述一组俯仰补偿相位差对俯仰间距d_p的虚拟天线阵元进行补偿后，根据所述一组俯仰补偿相位差和所述俯仰间距d_p的相位差测角原理计算得到被测目标的一组俯仰角；

将一组俯仰角代入俯仰补偿相位差公式得到一组方向维俯仰补偿相位差，利用所述一组方向维俯仰补偿相位差对方向维天线阵元间距为d₃且俯仰天线间距为d_p的虚拟天线阵元进行相位补偿后，根据所述一组方向维俯仰补偿相位差和方向维天线阵元间距d₃的相位差测角原理计算被测目标的一组不模糊方位角，其中，d₃<d；

比较被测目标的模糊方位角和不模糊方位角，当两者相等时，所对应的俯仰角为被测目标的俯仰角的真实值，不模糊方位角为被测目标的方位角的真实值。

本公开的新型毫米波雷达阵列处理方法，通过基于FMCM信号模型布局毫米波雷达阵列，得到与毫米波雷达阵列相对应的毫米波雷达虚拟天线阵列，当被测目标方位角大于所述毫米波雷达虚拟天线的测量方位角的范围时，所述被测目标的实际相位差与测量相位差存在n个周期偏差，n为正整数；测量毫米波雷达虚拟天线阵列的相位差，根据所述虚拟天线阵元间距d和所述测量相位差的相位差测角原理计算被测目标的模糊方位角，遍历n值得到被测目标的一组模糊方位角；将所述一组模糊方位角代入俯仰补偿相位差公式得到一组俯仰补偿相位差，利用所述一组俯仰补偿相位差对俯仰间距d_p的虚拟天线阵元进行补偿后，根据所述一组俯仰补偿相位差和所述俯仰间距d_p的相位差测角原理计算得到被测目标的一组俯仰角；将一组俯仰角代入俯仰补偿相位差公式得到一组方向维俯仰补偿相位差，利用所述一组方向维俯仰补偿相位差对方向维天线阵元间距为d₃且俯仰天线间距为d_p的虚拟天线阵元进行相位补偿后，根据所述一组方向维俯仰补偿相位差和方向维天线阵元间距d₃的相位差测角原理计算被测目标的一组不模糊方位角，其中，d₃<d；比较被测目标的模糊方位角和不模糊方位角，当两者相等时，所对应的俯仰角为被测目标的俯仰角的真实值，不模糊方位角为被测目标的方位角的真实值。能够在有限天线数量情况下，实现较大的视场角FOV和较高的角度分辨率，无需额外增加处理算法能够在完成俯仰角的同时，有效调和角度分辨率和测量方位角范围的矛盾，且减小雷达体积和重量、降低成本。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。

图1示出根据现有技术中毫米波雷达阵列示意图；

图2示出根据现有技术中毫米波雷达阵列对相位角相差30度的被测目标的测量示意图；

图3示出根据本公开一实施例的新型毫米波雷达信号处理方法流程图；

图4示出根据本公开另一实施例的新型毫米波雷达信号处理方法流程图；

图5示出根据本公开另一实施例的模糊方位维测角阵列示意图；

图6示出根据本公开另一实施例的俯仰维测角阵列示意图；

图7示出根据本公开另一实施例的不模糊方位维测角阵列示意图；

图8示出根据本公开另一实施例的角分辨率为3度的测角结果示意图；

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。

图3示出根据本公开一实施例的新型毫米波雷达信号处理方法流程图。该方法可以用于高角度分辨的雷达信号处理，通过选用不同通道的雷达回波数据组合，分别测量模糊方位角、俯仰角和不模糊方位角，经过结果比对，能够在保证高角度分辨的同时时间角度解模糊增大视场角FOV。

如图1所示，该方法可以包括：

步骤S11：基于FMCM信号模型布局毫米波雷达阵列，得到与毫米波雷达阵列相对应的毫米波雷达虚拟天线阵列；当被测目标方位角大于所述毫米波雷达虚拟天线的测量方位角的范围时，所述被测目标的实际相位差与测量相位差存在n个周期偏差，n为正整数。

FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave，调频连续波)可以是指接收的回波频率与发射的频率变化规律相同，为三角波规律，具有时差，利用这个时差可计算出目标距离。

基于FMCW信号模型，可以通过设计特殊毫米波雷达天线布局，形成对应于毫米波雷达阵列的毫米波雷达虚拟天线阵列。

在相位法测角过程中分别选取虚拟天线阵列中的不同天线阵元，实现方位角不模糊检测和俯仰角的测量。

图4示出根据本公开另一实施例的新型毫米波雷达信号处理方法流程图。如图4所示，当被测目标方位角大于所述毫米波雷达虚拟天线的测量方位角的范围时，被测目标的实际相位差与测量相位差存在n个周期偏差，n为正整数，遍历n值可以得到一组模糊方位角、一组俯仰角、一组不模糊方位角。

步骤S12：测量毫米波雷达虚拟天线阵列的相位差，根据虚拟天线阵元间距d和测量相位差的相位差测角原理可以计算被测目标的模糊方位角，遍历n值得到被测目标的一组模糊方位角。

图5示出根据本公开另一实施例的模糊方位维测角阵列示意图。

如图5所示，选用至少3个等间距虚拟天线阵元，虚拟天线阵元间距为d，已知虚拟天线阵元间距为d，测量虚拟天线阵元通道间的相位差根据相位法测角原理将虚拟天线阵元间距为d和测量相位差/>代入到相位法测角公式可以得到被测目标的测量相位角/>当相位差/>时，得到该虚拟天线阵元间距为d下的被测目标的最大模糊方位角/>

由于当被测目标方位角大于所述毫米波雷达虚拟天线的测量方位角的范围时，被测目标的实际相位差与测量相位差存在n个周期偏差，被测目标的实际方位角

由于被测目标的实际相位差被限定在(-π,π)之间，因此，将sin_real≤1和代入到实际方位角公式，可以得到n的最大取值/>可以得到被测目标的方位角的范围/>遍历所有的n值，能够得到被测目标的一组模糊方位角，而被测目标的真实方位角包含在被测目标的一组模糊方位角内。

步骤S13：将一组模糊方位角代入俯仰补偿相位差公式得到一组俯仰补偿相位差，利用一组俯仰补偿相位差对俯仰间距d_p的虚拟天线阵元进行补偿后，根据一组俯仰补偿相位差和所述俯仰间距d_p的相位差测角原理可以计算被测目标的一组俯仰角。

图6示出根据本公开另一实施例的俯仰维测角阵列示意图。

如图6所示，d₂为虚拟天线方位维间距，d_p为虚拟天线俯仰维间距。选取俯仰间距为d_p的两个虚拟天线阵元，俯仰间距d_p可以根据俯仰角指标确定，例如俯仰角分辨率和测角范围/>其中N_RX为接收天线数量，N_TX为虚拟天线数量。

测量被测目标的俯仰角前，需对俯仰间距d_p的虚拟天线阵元进行相位补偿使得俯仰间距d_p的虚拟天线阵元在方位维对齐，将由步骤S12计算得到的被测目标的一组模糊方位角代入到俯仰补偿相位差公式得到一组俯仰补偿相位差，将该俯仰补偿相位差和俯仰间距d_p代入到相位差测角公式计算得到被测目标的一组俯仰角，能够通过方位角进而补偿相位对俯仰角进行对齐测量俯仰角。

步骤S14：将一组俯仰角代入俯仰补偿相位差公式得到一组方向维俯仰补偿相位差，利用一组方向维俯仰补偿相位差对方向维天线阵元间距为d₃且俯仰天线间距为d_p的虚拟天线阵元进行相位补偿后，根据一组方向维俯仰补偿相位差和方向维天线阵元间距d₃的相位差测角原理可以计算被测目标的一组不模糊方位角，其中，d₃<d。

图7示出根据本公开另一实施例的不模糊方位维测角阵列示意图。

如图7所示，d₃为虚拟天线方位维间距。选取两个方位维间距为d₃且仰维间距为d_p的虚拟天线阵元，其中，d₃<d。测量被测目标的不模糊方位角前，需对该组虚拟天线阵元进行相位补偿使得该组虚拟天线阵元在方位维对齐。将由步骤S13计算得到的被测目标的一组俯仰角代入到俯仰补偿相位差公式得到一组俯仰补偿相位差，将该俯仰补偿相位差和俯仰间距d₃代入到相位差测角公式计算得到被测目标的一组不模糊方位角，能够通过补偿俯仰角进行对齐测量方位角。

步骤S15：比较被测目标的模糊方位角和不模糊方位角，当两者相等时，所对应的俯仰角为被测目标的俯仰角的真实值，不模糊方位角为被测目标的方位角的真实值。

将步骤S12中计算的被测目标的一组模糊方位角与步骤S15中计算的被测目标的一组不模糊方位角进行比较，当被测目标的模糊方位角与不模糊方位角相同时，则补偿的相位正确，此时对应的不模糊方位角和该不模糊方位角对应的俯仰角为被测目标的真实值。能够通过大间距且等间距的虚拟天线阵元获得高角度分辨率，通过相位角解模糊增大视场角FOV测得俯仰角。

图8示出根据本公开另一实施例的角分辨率为3度的测角结果示意图。

通过本公开的毫米波雷达信号处理方法，能够在无需额外增加天线数量，只需设计满足该方法所需的虚拟天线阵列，通过相应信号处理方法，能够同时实现较大的视场角FOV和较高的角度分辨率。

与如图2所示的3TX4RX雷达的30°角度分辨率相比，角度分辨率提高了10倍，分辨率达到3°，如图8所示。且在满足同样的测角指标时，雷达体积更小、重量更轻、成本更低，在同时测量方位角和俯仰角时，也无需额外增加处理算法。

本公开的新型毫米波雷达阵列处理方法，通过基于FMCM信号模型布局毫米波雷达阵列，得到与毫米波雷达阵列相对应的毫米波雷达虚拟天线阵列，当被测目标方位角大于所述毫米波雷达虚拟天线的测量方位角的范围时，所述被测目标的实际相位差与测量相位差存在n个周期偏差，n为正整数；测量毫米波雷达虚拟天线阵列的相位差，根据所述虚拟天线阵元间距d和所述测量相位差的相位差测角原理计算被测目标的模糊方位角，遍历n值得到被测目标的一组模糊方位角；将所述一组模糊方位角代入俯仰补偿相位差公式得到一组俯仰补偿相位差，利用所述一组俯仰补偿相位差对俯仰间距d_p的虚拟天线阵元进行补偿后，根据所述一组俯仰补偿相位差和所述俯仰间距d_p的相位差测角原理计算得到被测目标的一组俯仰角；将一组俯仰角代入俯仰补偿相位差公式得到一组方向维俯仰补偿相位差，利用所述一组方向维俯仰补偿相位差对方向维天线阵元间距为d₃且俯仰天线间距为d_p的虚拟天线阵元进行相位补偿后，根据所述一组方向维俯仰补偿相位差和方向维天线阵元间距d₃的相位差测角原理计算被测目标的一组不模糊方位角，其中，d₃<d；比较被测目标的模糊方位角和不模糊方位角，当两者相等时，所对应的俯仰角为被测目标的俯仰角的真实值，不模糊方位角为被测目标的方位角的真实值。能够在有限天线数量情况下，实现较大的视场角FOV和较高的角度分辨率，无需额外增加处理算法能够在完成俯仰角的同时，有效调和角度分辨率和测量方位角范围的矛盾，且减小雷达体积和重量、降低成本。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (1)

1.一种新型毫米波雷达信号处理方法，其特征在于，所述方法包括：

基于FMCW信号模型布局毫米波雷达阵列，得到与毫米波雷达阵列相对应的毫米波雷达虚拟天线阵列，当被测目标方位角大于所述毫米波雷达虚拟天线的测量方位角的范围时，所述被测目标的实际相位差与测量相位差存在n个周期偏差，n为正整数；

测量毫米波雷达虚拟天线阵列的相位差，根据所述虚拟天线阵元间距d和所述测量相位差的相位差测角原理计算被测目标的模糊方位角，遍历n值得到被测目标的一组模糊方位角；

将所述一组模糊方位角代入俯仰补偿相位差公式得到一组俯仰补偿相位差，利用所述一组俯仰补偿相位差对俯仰间距d_p的虚拟天线阵元进行补偿后，根据所述一组俯仰补偿相位差和所述俯仰间距d_p的相位差测角原理计算得到被测目标的一组俯仰角；

将一组俯仰角代入俯仰补偿相位差公式得到一组方向维俯仰补偿相位差，利用所述一组方向维俯仰补偿相位差对方向维天线阵元间距为d₃且俯仰天线间距为d_p的虚拟天线阵元进行相位补偿后，根据所述一组方向维俯仰补偿相位差和方向维天线阵元间距d₃的相位差测角原理计算被测目标的一组不模糊方位角，其中，d₃<d；

比较被测目标的模糊方位角和不模糊方位角，当两者相等时，所对应的俯仰角为被测目标的俯仰角的真实值，不模糊方位角为被测目标的方位角的真实值。