CN113314832B - 一种毫米波车载mimo雷达天线阵列装置及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毫米波车载MIMO雷达天线阵列装置及设计方法，基于单个毫米波车载雷达芯片设计，具有3个发射天线单元和4个接收天线单元。其中发射天线阵元有方位向和俯仰向分布，且阵元位置均为奇数；接收天线阵元均按方位向排布，阵元位置均为偶数，且相邻阵元位置差无重复；所述MIMO阵列等效虚拟阵元数为12，同时具有方位向和俯仰向阵元分布，不仅在方位向具有较高分辨率，同时提供了俯仰向的测角能力。本发明用少量数目的天线单元实现了较高的方位向分辨率，并且具有一定的俯仰向测角能力。

Description

一种毫米波车载MIMO雷达天线阵列装置及设计方法

技术领域

本发明属于雷达系统与成像技术领域，尤其涉及一种毫米波车载MIMO雷达天线阵列装置及设计方法。

背景技术

MIMO雷达是近年来提出的一种新体制雷达，其研究和应用越来越广泛。MIMO雷达在发射端通过各个阵元发射互不相关的正交信号，接收端收到目标回波信号后，通过匹配滤波器组将各个发射信号分离，由此可成倍的增加虚拟阵元，形成大孔径虚拟阵列，使得雷达系统的自由度和最大可分辨目标数增加，具有更好的目标检测性能和参数估计精度。

波达方向(DOA)是MIMO雷达参数估计的重要内容，又称空间谱估计或角度估计。DOA估计是利用一组在空间分布的天线阵列对空间目标在时域和空域同时采样，然后对采样数据进行信号处理得到空间目标的DOA估计。DOA估计的分辨率、最大可分辨目标数、实时性、稳健性等决定了估计性能的好坏，且估计性能主要受天线阵列阵元数目和阵列排布形式影响，天线阵列孔径越大，DOA估计分辨率越高；天线阵元数越多，可分辨目标数越多。MIMO雷达系统中大孔径虚拟阵列成倍的拓展了阵列孔径和阵元数目，使得DOA估计性能也有很大的提升。

高度集成的雷达芯片集成了收发射频链路、波形形成、收发数字链路等，单个MIMO雷达芯片具有一定数量的收发通道，故基于单芯片设计的天线数量无法改变，使得雷达系统的设计受到了限制。MIMO雷达系统中的天线设计直接影响系统的角度分辨率，少量的收发天线数目会导致雷达系统的分辨率低，增大天线阵元间距，对阵列进行稀疏设计能增大阵列孔径提高分辨率，但阵元间距过大会导致栅瓣的产生。

发明内容

本发明目的在于提供一种毫米波车载MIMO雷达天线阵列装置及设计方法,以解决单芯片雷达系统的天线收发数量少，天线阵列孔径小，雷达系统角分辨率低和DOA估计时会出现角度模糊的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：

一种毫米波车载MIMO雷达天线阵列装置，MIMO雷达天线阵列包括3个发射天线，4个接收天线，等效虚拟阵元数目为12，且俯仰方向有阵元分布，具有俯仰向测角能力。

一种毫米波车载MIMO雷达天线阵列的设计方法包括以下步骤：

步骤1、所述发射天线阵列以左边第一个发射阵元位置为参考，以dy＝λ/2为方位向间距单位，以dy＝λ/2为俯仰向间距单位，λ为信号波长。

发射天线阵列方位向阵元位置分布为：

Tx＝[tx₁,tx₂,tx₃]＝[0,x_t1,x_t2]×dx

发射天线阵列俯仰向阵元位置分布为：

Ty＝[ty₁,ty₂,ty₃]＝[0,y_t1,y_t2]×dy

其中x_t1＜x_t2且均为奇数，表示发射阵元方位向阵元位置坐标；y_t1,y_t2均为奇数，表示发射阵元俯仰向阵元位置坐标；

步骤2、所述接收天线阵列以左边第一个接收阵元位置为参考，以dx＝λ/2为方位向间距单位，以dy＝λ/2为俯仰向间距单位，接收天线阵列方位向阵元位置分布为：

Rx＝[rx₁,rx₂,rx₃,rx₄]＝[0,x_r1,x_r2,x_r3]×dx

接收天线阵列俯仰向阵元位置分布为：

Ry＝[ry₁,ry₂,ry₃,ry₄]＝[0,0,0,0]×dy

其中x_r1＜x_r2＜x_r3且均为偶数，表示方位向位置坐标，且x_r1≠x_r2-x_r1≠x_r3-x_r2；接收阵列都只在方位向分布，俯仰向阵元位置坐标均为0；

步骤3、根据MIMO雷达天线阵列工作原理，发射天线阵列和接收天线阵列等效为一个虚拟阵列，等效关系表示为：

TRx＝{(tx_m+rx_n)|m＝1,2,3；n＝1,2,3,4}

TRy＝{(ty_m+ry_n)|m＝1,2,3；n＝1,2,3,4}

TRx,TRy分别表示等效虚拟阵列阵元方位向位置集合和俯仰向位置集合，其中Tx为发射阵元在方位向的阵元位置向量；Rx为接收阵元在方位向的阵元位置向量；Ty为发射阵元在俯仰向的阵元位置向量；Ry为接收阵元在俯仰向的阵元位置向量；tx_m表示第m个发射阵元方位向位置；ty_m表示第m个发射阵元俯仰向位置；rx_n表示第n个接收阵元方位向位置；ry_n表示第n个接收阵元俯仰向位置；根据MIMO雷达天线阵列与虚拟阵列等效关系，所述毫米波车载MIMO雷达天线阵列在方位向的虚拟阵列孔径为(x_t2+x_r3)×λ/2，俯仰向的虚拟阵列孔径为max{y_t1,y_t2}×λ/2。

根据差和协同阵原理，MIMO雷达天线阵列的差和阵列表示为：

Zx＝{(tx_m1+rx_n1)-(tx_m2+rx_n2)}

Zy＝{(ty_m1+ry_n1)-(ty_m2+ry_n2)}

Zx为虚拟阵列方位向阵元位置差集合，Zy为虚拟阵列俯仰向阵元位置差集合，其中m1,m2∈{1,2,3}；n1,n2∈{1,2,3,4}。

本发明的一种毫米波车载MIMO雷达天线阵列装置及设计方法，具有以下优点：

1、本发明设计的一种3发4收MIMO雷达天线阵列，其阵列实际物理阵元数目为7，等效虚拟阵元数目为12，在方位向上获得较高的角度分辨率。

2、本发明以少量的实际天线阵元数实现了较高的分辨，且最大可分辨目标数大于实际阵元数目7。

3、本发明所设计的MIMO阵列在俯仰向有发射阵元分布，故在俯仰向也具有的测角能力，可以实现方位向和俯仰向的二维DOA估计。

附图说明

图1为本发明的MIMO雷达天线阵列天线阵元位置分布示意图；

图2为本发明的MIMO雷达天线阵列的等效虚拟阵元位置分布示意图；

图3为等效虚拟阵列阵元位置差分布示意图；

图4(a)为等效虚拟阵列二维方向图；

图4(b)为等效虚拟阵列方位向方向图；

图4(c)为等效虚拟阵列俯仰向方向图；

图5(a)为两个目标角度近时DBF方法的一维DOA估计仿真结果图；

图5(b)为两个目标角度远时DBF方法的一维DOA估计仿真结果图；

图5(c)为MUSIC方法的一维DOA估计仿真结果图；

图6(a)为DBF方法的二维DOA估计仿真结果图；

图6(b)为MUSIC方法的二维DOA估计仿真结果图；

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种毫米波车载MIMO雷达天线阵列装置及设计方法做进一步详细的描述。

本发明一种毫米波车载MIMO雷达天线阵列装置，包括3个发射天线和4个接收天线，等效虚拟阵元数目为12，且俯仰方向有阵元分布，具有俯仰向测角能力。

如图1所示为一个MIMO雷达天线阵列设计排布方式，是基于具有3个发射通道4个接收通道的单个MIMO雷达芯片所设计。其发射天线阵元数为3，接收天线阵元数为4，构成3发4收的MIMO雷达天线阵列，根据MIMO雷达工作原理，可等效为具有12个阵元的等效虚拟阵列。

如图1所示，以左边第一个发射阵元位置为参考，其发射阵元位置可表示为Tx＝[0,3,21]×λ/2，Ty＝[0,3,3]×λ/2，λ为信号波长；Tx，Ty分别表示发射天线阵列方位向和俯仰向的位置分布。以左边第一个接收阵元位置为参考，其接收阵元位置可表示为Rx＝[0,8,10,14]×λ/2，Ry＝[0,0,0,0]×λ/2；Rx，Ry分别表示接收天线阵列方位向和俯仰向的位置分布。本发明所设计MIMO阵列接收阵元位置均为偶数，且接收阵列相邻阵元位置差为{8，2，4}，也均为偶数且无重复；发射阵元位置均为奇数，相邻阵元位置差为{3，18}；发射阵列和接收阵列均为稀疏阵，发射阵列的阵列孔径为Lt＝21×λ/2，接收阵列的阵列孔径为Lr＝14×λ/2。

根据MIMO雷达工作原理，发射阵列和接收阵列可等效为一个虚拟阵列，虚拟阵元位置为发射阵元位置与接收阵元位置之和，如图2所示为本发明MIMO阵列的等效虚拟阵列阵元分布示意图。虚拟阵元位置集合为：

TRx＝[0,8,10,14,3,11,13,17,21,29,31,35]×λ/2

TRy＝[0,0,0,0,3,3,3,3,3,3,3,3]×λ/2

TRx，TRy分别是方位向位置和俯仰向位置。

方位向等效虚拟阵列孔径为Lx＝Lt+Lr＝35×λ/2，俯仰向虚拟阵列孔径为Ly＝3×λ/2。

图3所示为方位向虚拟阵元位置差分布图，对于方位向，虚拟阵列阵元位置差集合为Zx＝{±35,±32,±31,±29,±28,±27,±26,…,±1,0}，即MIMO阵列的差和阵列，其最大连续均匀分布阵元数目为29，在位置Zx＝{±34,±33,±30}出现空洞。对于俯仰向，只存在Zy＝{±3,0}两个阵元位置的分布，即俯仰向阵列孔径为3×λ/2。

由图2可知，本发明所设计MIMO阵列的等效虚拟阵列为二维平面阵列，其归一化方向图函数为

其中M，N为发射和接收阵元数目dx_mn，dy_mn为第(m,n)个虚拟阵元与第(0,0)个参考阵元方位向和俯仰向距离，(φ,θ)分别表示方位角和俯仰角，(φ₀,θ₀)为阵列主波束最大值指向，如图4(a),图4(b)，图4(c)所示为MIMO阵列等效虚拟阵列在(φ₀,θ₀)＝(0，0)时的归一化方向图。

本设计实例的DOA估计性能通过仿真结果说明。

通过以上分析可知，所设计MIMO阵列方位向的虚拟阵列孔径为35×λ/2，俯仰向阵列孔径为3×λ/2，由分辨率计算公式：

计算可得，理论上在波束指向为(φ₀,θ₀)＝(0，0)时，方位向分辨率可达到2.9°，在俯仰向也有一定的测角能力，但分辨率很低。

分别用数字波束形成(DBF)和多重信号分类方法(MUSIC)对目标进行一维DOA估计，仿真结果如图5(a),图5(b)，图5(c)所示，由仿真结果可知，DBF方法能准确估计两个目标角度，其分辨率约为3°左右，但是角度估计存在一定误差；MUSIC方法且能准确估计出10个目标角度，在-35°到35°范围内没有出现模糊角，其分辨率可以达到2.9°。

如图6(a)和图6(b)所示为分别用DBF和MUSIC方法对目标进行二维DOA估计仿真结果图，角度1为(φ₁,θ₁)＝(2°,0°)，角度2为(φ₂,θ₂)＝(24°,10°)。由仿真结果可知，本发明所设计MIMO天线阵列可以进行二维的DOA估计，对于方位角能准确估计，而俯仰角估计会出现角度模糊。因为本发明设计的MIMO天线阵列在俯仰向分布有阵元，故在俯仰向也有一定的测角能力，但是由于阵元数目少，且阵元间距大于半波长，俯仰角估计分辨率很低并且会出现角度模糊。但是在需要观测的角度范围θ∈[-15°,15°]，φ∈[-35°,35°]内，如图6(a)和图6(b)所示，DBF和MUSIC方法均能够估计出目标的方位和俯仰角度，模糊角均在观测角度范围之外。

对于3发4收的MIMO阵列，由于阵元数目少，角度分辨率较低，且通常只在方位向进行排布，不具有俯仰向的测角能力。本发明所设计的阵列排布方式在方位向和俯仰向均有阵元分布，不仅在方位向能达到较高的分辨率，同时还提供了俯仰向的测角能力。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (1)

1.一种毫米波车载MIMO雷达天线阵列的设计方法，其特征在于，毫米波车载MIMO雷达天线阵列包括3个发射天线和4个接收天线，等效虚拟阵元数目为12，且俯仰方向有阵元分布，具有俯仰向测角能力；

设计方法包括以下步骤：

步骤1、发射天线阵列以左边第一个发射阵元位置为参考，以dx＝λ/2为方位向间距单位，以dy＝λ/2为俯仰向间距单位，λ为信号波长；发射天线阵列方位向阵元位置分布为：

Tx＝[tx₁,tx₂,tx₃]＝[0,x_t1,x_t2]×dx

发射天线阵列俯仰向阵元位置分布为：

Ty＝[ty₁,ty₂,ty₃]＝[0,y_t1,y_t2]×dy

其中x_t1＜x_t2且均为奇数，表示发射阵元方位向阵元位置坐标；y_t1,y_t2均为奇数，表示发射阵元俯仰向阵元位置坐标；

步骤2、接收天线阵列以左边第一个接收阵元位置为参考，以dx＝λ/2为方位向间距单位，以dy＝λ/2为俯仰向间距单位，接收天线阵列方位向阵元位置分布为：

Rx＝[rx₁,rx₂,rx₃,rx₄]＝[0,x_r1,x_r2,x_r3]×dx

接收天线阵列俯仰向阵元位置分布为：

Ry＝[ry₁,ry₂,ry₃,ry₄]＝[0,0,0,0]×dy

其中x_r1＜x_r2＜x_r3且均为偶数，表示方位向位置坐标，且x_r1≠x_r2-x_r1≠x_r3-x_r2；接收阵列都只在方位向分布，俯仰向阵元位置坐标均为0；

步骤3、根据MIMO雷达天线阵列工作原理，发射天线阵列和接收天线阵列等效为一个虚拟阵列，等效关系表示为：

TRx＝{(tx_m+rx_n)|m＝1,2,3；n＝1,2,3,4}

TRy＝{(ty_m+ry_n)|m＝1,2,3；n＝1,2,3,4}

TRx,TRy分别表示等效虚拟阵列阵元方位向位置集合和俯仰向位置集合，tx_m表示第m个发射阵元方位向位置；ty_m表示第m个发射阵元俯仰向位置；rx_n表示第n个接收阵元方位向位置；ry_n表示第n个接收阵元俯仰向位置；根据MIMO雷达天线阵列与虚拟阵列等效关系，所述毫米波车载MIMO雷达天线阵列在方位向的虚拟阵列孔径为(x_t2+x_r3)×λ/2，俯仰向的虚拟阵列孔径为max{y_t1,y_t2}×λ/2；

根据差和协同阵原理，MIMO雷达天线阵列的差和阵列表示为：

Zx＝{(tx_m1+rx_n1)-(tx_m2+rx_n2)}

Zy＝{(ty_m1+ry_n1)-(ty_m2+ry_n2)}

Zx为虚拟阵列方位向阵元位置差集合，Zy为虚拟阵列俯仰向阵元位置差集合，其中m1,m2∈{1,2,3}；n1,n2∈{1,2,3,4}。

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