CN112710993B - 一种tdm-mimo雷达空间谱估计补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种TDM‑MIMO雷达空间谱估计补偿方法，用于提高雷达对目标的测角精度，该方法包括：确定目标与雷达之间的距离以及目标相对雷达的速度；将雷达锯齿波的回波信号与发射信号进行混频和滤波后得到差频信号；根据回波延迟时间差确定虚拟阵元需要补偿的相位，根据差频信号和所述相位确定补偿后的虚拟阵元回波差频信号。该方法可以有效提升TDM‑MIMO雷达空间谱估计的估计精度，对于小阵列毫米波雷达测角有重要的理论意义和工程价值。

Description

一种TDM-MIMO雷达空间谱估计补偿方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，尤其涉及一种TDM-MIMO雷达空间谱估计补偿方法。

背景技术

目前的时分复用多输入多输出(英文全称Time Division Multiplexing-Multiple Input Multiple Output，简称TDM-MIMO)雷达不但避开了发射正交波形的工程难题，而且扩展了孔径。时分复用多输入多输出雷达广泛应用于车载毫米波雷达。

把无线通信系统中的多个输入和多个输出技术引入到雷达领域，并和数字阵列技术相结合而产生的一种新体制雷达。MIMO雷达的概念在2003年由美国林肯实验室的Bliss和Forsythe首次提出，目前已成为国内外雷达界的一个研究热点。在MIMO雷达定义中，多输入是指同时发射多种雷达信号波形(一般是多个天线同时发射不同的波形)，多输出是指多个天线同时接收并通过多路接收机输出以获得多通道空间采样信号。因此，MIMO雷达可以看成是相控阵雷达的扩展，具有可控自由度多、发射波束设置灵活、测角精度高以及抗干扰能力强等优点，在军事和民用领域都有着广阔的应用前景，是雷达下一步发展的重要方向。

MIMO雷达技术应用于车载毫米波雷达的好处主要是利用其虚拟孔径扩展能力提升测角精度，不同的天线收发位置得到的虚拟天线孔径不同，所带来的天线孔径扩展也不同。相对于传统的相控阵雷达体制能扩展孔径40％～100％，此时，其测角精度也将提升40％～100％。

但是对于毫米波雷达(比如车载毫米波雷达，频率在77～81GHz)的应用来说，由于频率高，同时发射正交波形在工程上面临困难，于是一些研究者提出了TDM-MIMO雷达结构，这样不但避开了发射正交波形的工程难题，而且扩展了孔径。由于引入了时分复用，导致了形成虚拟孔径的各阵元数据不是来自于同一时刻目标回波，不同脉冲周期的数据失去了相干性，此时，如果直接用不同时刻的回波数据进行角度估计将会带来很大的误差(误差取决于雷达速度和目标速度)。仿真发现，对于2发4收的TDM-MIMO雷达系统，当雷达速度20m/s，目标相对于雷达的速度10m/s时，空间谱估计测角误差较大。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种TDM-MIMO雷达空间谱估计补偿方法用于解决现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明实施例提供了一种TDM-MIMO雷达空间谱估计补偿方法，用于提高雷达对目标的测角精度，该方法包括：

步骤一、确定目标与雷达之间的距离以及目标相对雷达的速度；

步骤二、将雷达锯齿波的回波信号与发射信号进行混频和滤波后得到差频信号；

(1)雷达锯齿波发射信号频率f(t)随时间变化的数学表达式为：

f(t)＝f_c+αt,0≤t≤T_c，其中：f_c表示发射信号的中心频率，α表示调制信号的斜率，T_c表示单个锯齿波周期；

因此，单个锯齿波的发射信号S_t(t)的数学表达式为：

其中：A_t表示发射信号的幅度，n_t(t)表示发射信号中的噪声；

(2)单个锯齿波经目标反射的回波信号S_r(t)的数学表达式为：

其中：A_r表示回波信号的幅度，n_r(t)表示回波信号中的噪声，τ表示回波延迟时间；回波延迟时间τ的数学表达式为：

其中：R表示目标与雷达之间的距离，v表示目标相对雷达的速度，c表示光速；

(3)将回波信号与发射信号进行混频和滤波得到差频信号S₀(t)：

其中：/>

步骤三、根据回波延迟时间差确定虚拟阵元需要补偿的相位，根据差频信号和所述相位确定补偿后的虚拟阵元回波差频信号：

(1)第n+1个脉冲形成的虚拟阵元相对第n个脉冲的接收阵元有一个回波延迟时间差，该回波延迟时间差Δτ的数学表达式为：

(2)由回波延迟时间差Δτ得到虚拟阵元需要补偿的相位其数学表达式为：

(3)将虚拟阵元的回波差频信号乘以复向量得到补偿后的虚拟阵元回波差频信号：

其中：S_c(t)表示补偿后的虚拟阵元回波差频信号，S₀(t)表示补偿前的虚拟阵元回波差频信号。

进一步地，所述确定目标与雷达之间的距离以及目标相对雷达的速度具体包括：

由单个阵元的采样数据进行FFT处理得到目标的差频信号，由差频信号得到目标的距离信息R；

在目标距离单元对不同脉冲数据再进行FFT处理，得到目标相对于雷达的速度v。

进一步地，所述雷达阵元数目为2发4收，雷达频率为77～77.4GHz。

本申请提供的技术方案，可以有效提升TDM-MIMO雷达空间谱估计的估计精度，对于小阵列毫米波雷达测角有重要的理论意义和工程价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种TDM-MIMO雷达空间谱估计补偿方法的流程示意图；

图2为不补偿虚拟阵元的8阵元空间谱估计结果；

图3为补偿虚拟阵元的8阵元空间谱估计结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种TDM-MIMO雷达空间谱估计补偿方法，用于提高雷达对目标的空间谱估计测角精度，该方法包括：

S101、确定目标与雷达之间的距离以及目标相对雷达的速度。

确定目标与雷达之间的距离以及目标相对雷达的速度具体如下：由单个阵元的采样数据进行FFT处理得到目标的差频信号，由差频信号得到目标的距离信息R；在目标距离单元对不同脉冲数据再进行FFT处理，得到目标相对于雷达的速度v。

S102、将雷达锯齿波的回波信号与发射信号进行混频和滤波后得到差频信号。

(1)雷达锯齿波发射信号频率f(t)随时间变化的数学表达式为：

f(t)＝f_c+αt,0≤t≤T_c (1)

其中：f_c表示发射信号的中心频率，α表示调制信号的斜率，T_c表示单个锯齿波周期。

因此，单个锯齿波的发射信号S_t(t)的数学表达式为：

其中：A_t表示发射信号的幅度，n_t(t)表示发射信号中的噪声。

(2)单个锯齿波经目标反射的回波信号S_r(t)的数学表达式为：

其中：A_r表示回波信号的幅度，n_r(t)表示回波信号中的噪声，τ表示回波延迟时间；回波延迟时间τ的数学表达式为：

其中：R表示目标与雷达之间的距离，v表示目标相对雷达的速度，c表示光速。

(3)将回波信号与发射信号进行混频和滤波得到差频信号S₀(t)：

其中：

S103、根据回波延迟时间差确定虚拟阵元需要补偿的相位，根据差频信号和所述相位确定补偿后的虚拟阵元回波差频信号。

(1)第n+1个脉冲形成的虚拟阵元相对第n个脉冲的接收阵元有一个回波延迟时间差，该回波延迟时间差Δτ的数学表达式为：

对于2发4收的MIMO雷达系统，将第一个脉冲的回波和第二个脉冲的回波一起处理可以得到8个阵元的虚拟阵列，但是此时第二个脉冲形成的虚拟阵元相对第一个脉冲的接收阵元有一个回波延迟时间差，该回波延迟时间差如果发射单元数大于2时，只需将式(6)乘以相应的系数便可以得到相应的回波延迟时间差，比如，第三个脉冲形成的虚拟阵元相对第一个脉冲的接收阵元的回波延迟时间差是2Δτ，第四个脉冲形成的虚拟阵元相对第一个脉冲的接收阵元的回波延迟时间差是3Δτ，以此类推。

(2)由回波延迟时间差Δτ得到虚拟阵元需要补偿的相位其数学表达式为：

(3)将虚拟阵元的回波差频信号乘以复向量得到补偿后的虚拟阵元回波差频信号：

其中：S_c(t)表示补偿后的虚拟阵元回波差频信号，S₀(t)表示补偿前的虚拟阵元回波差频信号。

不是所有数据都需要补偿。只需要补偿虚拟阵元数据，对于2发4收，就是补偿偶数脉冲的接收数据。

下面以一个具体仿真实例加以说明：

设定雷达基本参数。雷达体制选用TDM-MIMO雷达；阵元数目选用2发4收；频率选用77～77.4GHz；发射波形选用锯齿波FMCW(线性调频连续波)；单个锯齿波周期T_c为20μs；速度计算周期为2.56ms；采样率为40MHz；调频斜率α为20THz/s；雷达对地速度30m/s。

设定目标基本参数。目标与雷达之间的距离R为50m；速度为20m/s(速度为正表示靠近雷达)；角度为0°(雷达天线法向)；信噪比为15dB。

图2和图3分别给出了2发4收TDM-MIMO模式下不补偿虚拟阵元和补偿虚拟阵元的8阵元空间谱估计仿真结果。其中左图为角度为1度的搜索结果，右图为角度为0.1度的搜索结果。从图2中可以看出，如果不补偿则不但角度估计偏差很大，而且会产生虚假的目标。而经本发明方法补偿后目标角度估计精度接近理想情况。

本发明针对TDM-MIMO雷达的这个问题，提出了补偿方法，该方法首先由单个阵元数据进行FFT处理得到目标距离和目标速度，然后由目标距离和目标速度计算得到补偿因子，对不同脉冲的数据进行补偿。计算公式仿真结果表明，对于2发4收的TDM-MIMO雷达系统，如果提供的速度值很精确，理想情况下可以接近完全补偿，当雷达速度和目标速度估计的速度误差不大于0.5m/s时，补偿不完全带来的测角误差也不会超过0.2°。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种TDM-MIMO雷达空间谱估计补偿方法，用于提高雷达对目标的测角精度，其特征在于，该方法包括：

步骤一、确定目标与雷达之间的距离以及目标相对雷达的速度；

步骤二、将雷达锯齿波的回波信号与发射信号进行混频和滤波后得到差频信号；

(1)雷达锯齿波发射信号频率f(t)随时间变化的数学表达式为：

f(t)＝f_c+αt,0≤t≤T_c，其中：f_c表示发射信号的中心频率，α表示调制信号的斜率，T_c表示单个锯齿波周期；

因此，单个锯齿波的发射信号S_t(t)的数学表达式为：

其中：A_t表示发射信号的幅度，n_t(t)表示发射信号中的噪声；

(2)单个锯齿波经目标反射的回波信号S_r(t)的数学表达式为：

其中：A_r表示回波信号的幅度，n_r(t)表示回波信号中的噪声，τ表示回波延迟时间；回波延迟时间τ的数学表达式为：

其中：R表示目标与雷达之间的距离，v表示目标相对雷达的速度，c表示光速；

(3)将回波信号与发射信号进行混频和滤波得到差频信号S₀(t)：

其中：/>

步骤三、根据回波延迟时间差确定虚拟阵元需要补偿的相位，根据差频信号和所述相位确定补偿后的虚拟阵元回波差频信号：

(1)第n+1个脉冲形成的虚拟阵元相对第n个脉冲的接收阵元有一个回波延迟时间差，该回波延迟时间差Δτ的数学表达式为：

(2)由回波延迟时间差Δτ得到虚拟阵元需要补偿的相位其数学表达式为：

(3)将虚拟阵元的回波差频信号乘以复向量得到补偿后的虚拟阵元回波差频信号：

其中：S_c(t)表示补偿后的虚拟阵元回波差频信号，S₀(t)表示补偿前的虚拟阵元回波差频信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定目标与雷达之间的距离以及目标相对雷达的速度具体包括：

由单个阵元的采样数据进行FFT处理得到目标的差频信号，由差频信号得到目标的距离信息R；

在目标距离单元对不同脉冲数据再进行FFT处理，得到目标相对于雷达的速度v。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述雷达阵元数目为2发4收，雷达频率为77～77.4GHz。