CN113325369B - 一种mimo微波装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种MIMO微波装置，所述MIMO微波装置的接收阵列和发射阵列均为最小冗余线性阵列，所述MIMO微波装置的虚拟阵列为和‑差联合阵列。通过和‑差联合阵列的方式形成虚拟阵列，以增大天线的虚拟孔径，提高微波雷达的角度分辨力，提高了该技术和装置在感知领域的实用价值。

Description

一种MIMO微波装置

技术领域

本发明涉及测量设备技术领域，具体涉及一种MIMO微波装置。

背景技术

阵列天线的优化设计对降低系统成本、提高系统性能起着关键的作用。最小冗余阵因其能用较少的物理阵元形成较大的阵列孔径而备受关注。与传统的天线阵列优化相比，MIMO雷达要综合考虑发射阵和接收阵，因而其阵列优化问题更加复杂。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种MIMO微波装置，以实现优化MIMO微波装置的天线阵列，从而提高MIMO微波装置的角度分辨力。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

一种MIMO微波装置，所述MIMO微波装置的接收阵列和发射阵列均为最小冗余线性阵列，所述MIMO微波装置的虚拟阵列为和-差联合阵列。

可选的，所述MIMO微波装置内的处理器用于：

用于获取微波装置中接收阵列和发射阵列的差分阵列虚拟天线坐标；基于所述接收阵列和发射阵列的差分阵列虚拟天线坐标，计算得到所述接收阵列和发射阵列的和-差联合阵列。

可选的，所述处理器还用于：

基于预设控制规则以控制发射阵列的两个天线为一组，向目标对象-发送相互正交的波形，将接收阵列接收到的回波信号记为x(t)；计算得到所述回波信号的协方差矩阵Rxx；向量化处理所述协方差矩阵，记为向量矩阵y(k)；计算接收位置相同的回波信号的平均值，记为接收信号y；计算得到所述接收信号y的协方差矩阵Ryy；采用MUSIC算法基于所述向量矩阵y(k)以及协方差矩阵Ryy计算得到角度空间谱。

可选的，所述MIMO微波装置中，发射阵列和接收阵列的和阵列为：

{x_v}＝{x_T,n+x_R,m|n＝1,2,…,N,m＝1,2,…,M}，其中v＝1,2,…,NM，其中，所述N为微波装置中发射天线的数据量，所述M为微波装置中接收天线的数量，所述x_T,n表示第n个发射天线的差分阵列虚拟天线坐标，所述x_R,m表示第m个接收天线的差分阵列虚拟天线坐标；

所述和-差联合阵列为{x_dc,k}＝{x_v-x_v'|v,v'＝1,2,...,NM}，所述k＝1,2,...,N²M²。

可选的，所述MIMO微波装置中，所述接收阵列接收到的回波信号为经过滤波器滤波后的回波信号。

可选的，所述MIMO微波装置中，所述N的值为2，M的值为4。

基于上述技术方案，本发明实施例提供的MIMO微波装置中的接收阵列和发射阵列均为与图1类似的最小冗余线性阵列，通过和-差联合阵列的方式形成虚拟阵列，以增大天线的虚拟孔径，提高微波雷达的角度分辨力，提高了该技术和装置在感知领域的实用价值。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例公开的MIMO微波装置中接收阵列和发射阵列的布局示意图；

图2为本申请实施例公开的最小冗余线性阵列的示意图；

图3为本申请实施例公开的2发4收MIMO微波装置的和-差联合阵列的各通道权重函数图像；

图4为2发4收的MIMO微波装置获得的两个目标的角度谱示意图。

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。

现有技术中，微波雷达通常都采用MIMO技术形成虚拟阵列，通过该虚拟阵列，增大微波雷达的天线的虚拟孔径。本文提出一种MIMO微波装置，该MIMO微波装置中的接收阵列和发射阵列均为与图1类似的最小冗余线性阵列，通过和-差联合阵列的方式形成虚拟阵列，以增大天线的虚拟孔径，提高微波雷达的角度分辨力，提高了该技术和装置在感知领域的实用价值。

具体的，在本方案中，所述MIMO微波装置的接收阵列和发射阵列均为最小冗余线性阵列，所述MIMO微波装置的虚拟阵列为和-差联合阵列，其中，所述和-差联合阵列可以通过MIMO微波装置内的处理器计算得到，在本方案中，所述MIMO微波装置内的处理器可以获取微波装置中接收阵列和发射阵列的差分阵列虚拟天线坐标；基于所述接收阵列和发射阵列的差分阵列虚拟天线坐标，计算得到所述接收阵列和发射阵列的和-差联合阵列，具体的，所述处理器可以基于所述均为最小冗余线性阵列的接收阵列和发射阵列获取所述发射阵列和接收阵列中的天线的差分阵列虚拟天线坐标，基于所述发射阵列和接收阵列中的天线的差分阵列虚拟天线坐标计算得到发射阵列和接收阵列的和阵列，和阵列为：{x_v}＝{x_T,n+x_R,m|n＝1,2,…,N,m＝1,2,…,M}，其中 v＝1,2,…,NM，其中，所述N为微波装置中发射天线的数量，所述M为微波装置中接收天线的数量，所述x_T,n表示第n个发射天线的差分阵列虚拟天线坐标，所述x_R,m表示第m个接收天线的差分阵列虚拟天线坐标；再基于所述和阵列，计算得到和-差联合阵列，和-差联合阵列为{x_dc,k}＝{x_v-x_v'|v,v'＝1,2,...,NM}，所述k＝1,2,...,N²M²。所述MIMO微波装置基于所述最小冗余线性阵列的接收阵列和发射阵列和所述和-差联合阵列进行微波信号的处理，经验证，采用本方案设计的MIMO微波装置与传统的MIMO微波装置相比较具有较高的角度分辨力。

在本申请实施例公开的技术方案中，所述MIMO微波装置采用微波作为检测媒介，使得所述MIMO微波装置具备光波的探测精度和微波的全天候工作特性，其环境适应性以及设备后期维护性要远远优于其他频段的检测设备；同时，由于MIMO微波装置中的传感器采用微波段，所以MIMO微波装置的天线尺寸很小，传感器本身的尺寸也很小，方便了MIMO微波装置的安装和拆卸。

关于所述MIMO微波装置的前端阵列天线与射频模块：

在本申请实施例公开的技术方案中，采用非均匀线性阵列天线，所述阵列天线的接收阵列和发射阵列均为最小冗余线性阵列，通过一个比较宽的波束对检测区域内进行覆盖，然后在信号处理中通过数字波束形成算法对检测区域内进行多波束扫描，通过这样可以提高对多目标检测的分辨率。例如，参见图2，本申请实施例公开的非均匀线性阵列天线的布局如图1所示，在图 1公开的示例中，所述Rx1、Rx2、Rx2和Rx4表示接收天线，所述Tx1和Tx2 表示发射天线，所述dr表示相邻的两个天线之间的距离。

具体的，图1示例中的发射天线和接收天线的差分阵列虚拟天线坐标可以图表1所示

表1

Tx天线	X轴坐标	Rx天线	X轴坐标
				Tx1	0	Rx1	0
Tx2	9λ/2	Rx2	3λ/2
						Rx3	4λ/2
		Rx4	6λ/2

在表1中，所述λ表示微波波长。

在本申请实施例公开的技术方案中，所述MIMO微波装置可以为MIMO 体制的微波雷达，MIMO雷达主要有频分复用(Frequency Division Multiplexing，简称FDM)、码分复用(CDM,又称码分多址Code Division Multiple Access,简称CDMA)和时分复用(TimeDivision Multiplexing，简称TDM)几种实现形式。考虑到实现复杂度及半导体器件成本限制，天线的发射通道和接收通道数据量有限，微波雷达天线孔径小，角度分辨力低。因此，本方案中，通过和-差联合阵列的方式形成MIMO微波装置的虚拟阵列，以增大MIMO 微波装置的天线的虚拟孔径，提高微波雷达的角度分辨力。提高了该技术和装置在感知领域的实用价值。

为了便于对本申请的MIMO微波装置的天线布局方式进行理解，下面对所述天线布局方式进行详细介绍，

在本实施例公开的技术方案中，所述线性阵列的差分阵列的位置由集合 S_dc的唯一元素表示，集合S_dc的定义如下：

S_dc＝{u-u'|u,u'∈S_u}

其中S_u表示天线位置的集合，其中，u,u'分别指的是发射天线和接收天线。

在本方案中，所述发射天线阵元位置阵列和接收天线阵元位置阵列的和共阵列的位置由集合S_sc的唯一元素表示，即发射天线阵元位置阵列和接受天线阵元位置阵列中的元素相加得到集合S_sc，其函数定义如下：

S_sc＝{u+u′|u∈S₁,u′∈S₂}

其中S₁和S₂是两个线性阵列的天线位置集合，其中u,u'分别表示发射天线和接收天线。

源于最小冗余线性阵列，最小冗余线性阵列定义为：在保证阵列单元间的位置差是连续的前提下，使相同位置差尽可能少的一种线性阵列，是一种典型的非均匀线性阵列。如图2所示，4个单元(这些单元可以表示天线)位于1、2、5、7位置，位置差组合从0到6至少存在1个单元，具体算法如下： 2-1＝1；7-5＝2；5-2＝3；5-1＝4；7-2＝5；7-1＝6.就是说每个数字就出现了一次。最优的最小冗余阵列是指在位置差集合中，除0以外，不存在相同的数，单元数大于4的最优最小冗余阵列是不存在的，其中，单元数其实就是指天线的差分阵列虚拟天线坐标数量，如1257就是4个单元数，因此构造出的为非最优阵列。相邻的两个天线之间的单元间距为Δd。

通常采用的阵列优化最佳算法是模拟退火算法和遗传算法。在本方案中，可以通过该模拟退火算法和遗传算法可以获得37个天线单元之内的天线阵列优化结果，将优化结果存储在MRLA配置表中，其中，表2为本申请MRLA 配置表的一部分数据，在布局天线阵列时，可以基于表2直接获取天线阵列对应的最小冗余线性阵列，进而通过最小冗余线性阵列获取各个的天线的差分阵列虚拟天线坐标，表2中单元指的是天线，单元数目指的是天线阵列中的天线数据，单元相对位置指的是天线在最小冗余线性阵列中的位置。

稀疏率是进行最小冗余线性阵列的设计时需要参考的一个标准，稀疏率越大表示阵列设计越好，所述最小冗余线性阵列的稀疏率为公式中K为稀疏阵列的天线数目，l为稀疏阵列形成的等效单元数目，经对表 2中的天线在最小冗余线性阵列中的位置进行分析，当最小冗余线性阵列中的天线数目大于11时，最小冗余线性阵列的稀疏率都在75％以上。

关于和联合阵列，在MIMO工作模式中，每个发射天线发射一个独立且相互正交的波形，在接收阵列上的每个接收天线上有N个匹配滤波器，所述滤波器用于提取并过来接收天线接收到的回波信号，由于MIMO微波装置中一共有N个发射天线和M个接收天线，所以滤波器提取信号总数为MN。这就导致了大量虚拟数组，虚拟阵列也被称为和联合阵列，因为他是通过在发射阵列和接收阵列中添加所有可能的单元位置而获得的。例如，位于{0，1， 2}的发射天线和位于{0，3，6}处的接收天线分别规范化为元素间间隔(半波长)的基本单位，从而产生具有{0、1、2、3、4、5、6、7、8}处的传感器的和联合阵列。这个和联合阵列是一个均匀线阵ULA。然而，本方案中，通过编排发射阵列和接收阵列中天线的差分阵列虚拟天线坐标，可以使其稀疏。因此，我们将MIMO雷达的虚拟阵列称为和联合阵列。

在本申请实施例提供的MIMO微波装置中的天线阵列由处于同一位置的发射阵列和接收阵列组成，在此，由发射阵列中的N个发射天线和接收阵列中的M个接收天线组成最小冗余线性阵列(MRLA)，x_T,n表示第n个发射天线的差分阵列虚拟天线坐标(在本方案中，所述天线的差分阵列虚拟天线坐标，即为虚拟天线坐标)，以单元间隔为单位(例如，半波长)，x_R,m表示第 m个接收天线的差分阵列虚拟天线坐标。由上文公式S_sc＝{u+u′|u∈S₁,u′∈S₂}，可以得到本实施例中，所述发射阵列和接收阵列的和阵列为 {x_v}＝{x_T,n+x_R,m|n＝1,2,…,N,m＝1,2,…,M}，其中v＝1,2,…,NM。和阵列的差分阵列为{x_dc,k}＝{x_v-x_v'|v,v'＝1,2,...,NM}，其中k＝1,2,...,N²M²，所述和阵列的差分阵列记为和-差联合阵列，在本方案中，通过和-差联合阵列来构造虚拟阵列，进而形成述MIMO微波装置的虚拟通道，增大了述MIMO微波装置的雷达的孔径，从而提高了角分辨率。

在本申请实施例公开的MIMO微波装置中天天线阵列由一个含有M个天线的接收阵列和一个含有N个天线的发射阵列组成，其中接收阵列和发射阵列共址，使得远场目标的信号可以以相同的角度进入两个阵列。假设远场有 W个不相关窄带目标信号从方向{θ_W,W＝1,2,...,W}进入接收机，其中，θ_W为表示进入方向的角度，有下角标表示一共有W个角度值，如第一个目标信号进入方向是θ₁，第2个目标信号的进入方向是θ₂，以此类推。在本文中假设W 是已知的。MIMO雷达的一个例子如图3所示，其中M＝4和N＝2。

本实施例中，所述滤波器可以采用现有的滤波器，通过该滤波器对回波信号进行滤波，滤波器的输出可以表示为：

其中s(t)＝[s₁(t),s₂(t),…,s_K(t)]∈C^K×1，n(t)∈C^NM×1表示一个均值为0和方差为的高斯白噪声向量。/>a_t(θ_k)和a_r(θ_k)表示第k个目标的发射导向向量和接收导向向量，其定义为

其中λ表示波长。

本方案中的所述MIMO微波装置可以通过内置的处理器来计算所述 MIMO微波装置的角度谱，所述处理器的计算过程如下：

所述处理器基于预设控制规则以控制发射阵列的两个天线为一组，向目标对象-发送相互正交的波形，基于所述MIMO微波装置的接收阵列和发射阵列均为最小冗余线性阵列获取回波信号X(t)，该回波信号X(t)可以为采用滤波器滤波后的回波信号，基于公式R_xx＝E[X(t)·X(t)^H]计算得到协方差矩阵 Rxx，其中，上角标H代表是共轭矩阵。将协方差Rxx矩阵向量化，表示为其中B＝[b(θ₁),b(θ₂),...,b(θ_K)]，在本实施例中，其中k＝1,2,···，K (这是一个卷积运算)，/>表示第k个目标的能量，/>是一个第i个位置的数字是1其他位置为0组成的向量，其中i＝1,2,…,NM。然后构建y(k)的协方差矩阵R_yy＝E[y(k)·y(k)^H]。之后再通过MUSIC算法采用向量矩阵y(k)以及协方差矩阵Ryy计算得到所述MIMO微波装置的角度谱，其中，所述MUSIC算法是一种基于矩阵特征空间分解的方法。将协方差矩阵Rxx和向量矩阵y(k)直接代入MUSIC算法，即可计算得到MIMO微波装置的角度谱。

最后，本申请通过一个基于2发4收的最小冗余线性阵MIMO阵列设计的具体示例来对本申请公开的MIMO微波装置的优越性极性介绍：

(1)发射阵列和接收阵列布局如图3所示(N＝2，M＝4)，发射阵列和接收阵列都是最小冗余线性阵列。

(2)接收阵列的差分阵列虚拟天线坐标{0，±1，±2，±3，±4，±6}；

(3)发射阵列的差分阵列虚拟天线坐标{0，±9}；

(4)发射阵列和接收阵列的和-差联合阵列为

{0，±1，±2，±3，±4，±6，±7，±8，±9，±10，±11，±12，±13，±15}；

形成和-差联合虚拟阵列的过程中，一共会形成64个虚拟通道，这些虚拟通道分布在29个位置上，各个位置的通道数如图3所示，

(5)发射阵列的2个天线发射相互正交的波形，接收阵列的4个天线接收到回波信号，经过匹配滤波器以后的结果x(t)；

(6)基于本申请上述实施例公开的技术方案基于x(t)计算得到协方差矩阵Rxx，并将Rxx向量化，然后将相同位置上的信号求取均值得到和-差联合阵列的接收信号y(k)，应用和-差联合虚拟阵列的回波信号y(k)计算协方差矩阵Ryy，然后使用MUSIC算法得到角度空间谱。

(7)使用MUSIC算法得到角度频谱，如图4所示，

图4两个目标角度分别为10°和14°，在角度谱上能够分开。基于最小冗余线性阵列的2发4收稀疏阵设计的角度分辨率等效一个31阵元的线性均匀阵列，相对于现有技术中2发4收均匀线阵通过MIMO形成的由8个阵元组成的虚拟线阵，角度分辨率提高了。

其中，角度分辨率定义为

其中，λ表示波长，D表示天线阵列孔径；显然，稀疏阵的角度分辨率提高4倍左右。

(8)在此设计示例中，发射阵列由2个天线阵元组成(图1中Tx阵列所示)，2个阵元间距为9×λ/2，发射阵列的方向图(如图4所示)，接收阵列由4个天线阵元组成，4阵元构造的最优最小冗余阵如图2所示，但是本文在设计中采用图1中Rx阵列布局，是因为图1中Rx布局得到发射接收综合方向图中副瓣没有分裂，副瓣更远离主瓣，效果更优；图1中Rx阵列布局在阵列正前方的辐射能量更集中，探测精度更高。

为了描述的方便，描述以上系统时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本发明时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种MIMO微波装置，其特征在于，所述MIMO微波装置的接收阵列和发射阵列均为最小冗余线性阵列，所述MIMO微波装置的虚拟阵列为和-差联合阵列；

其中，所述最小冗余线性阵列的获得过程包括：通过模拟退火算法和遗传算法获得天线单元之内的天线阵列优化结果，将所述天线阵列优化结果存储在最小冗余线性阵列配置表中，基于所述最小冗余线性阵列配置表获取所述最小冗余线性阵列；

其中，所述和-差联合阵列的获得过程包括：所述MIMO微波装置内的处理器基于所述接收阵列和发射阵列的差分阵列虚拟天线坐标，计算得到所述接收阵列和发射阵列的和-差联合阵列；

其中，所述处理器还用于基于预设控制规则以控制发射阵列的两个天线为一组，向目标对象-发送相互正交的波形，将接收阵列接收到的回波信号记为x(t)；计算得到所述回波信号的协方差矩阵Rxx；向量化处理所述协方差矩阵，记为向量矩阵y(k)；计算接收位置相同的回波信号的平均值，记为接收信号y；计算得到所述接收信号y的协方差矩阵Ryy；采用MUSIC算法基于所述向量矩阵y(k)以及协方差矩阵Ryy计算得到角度空间谱。

2.根据权利要求1所述的微波装置，其特征在于，

发射阵列和接收阵列的和阵列为：

{x_v}＝{x_T,n+x_R,m|n＝1,2,…,N,m＝1,2,…,M}，其中v＝1,2,...,NM，其中，所述N为微波装置中发射天线的数据量，所述M为微波装置中接收天线的数量，所述x_T,n表示第n个发射天线的差分阵列虚拟天线坐标，所述x_R,m表示第m个接收天线的差分阵列虚拟天线坐标；

所述和-差联合阵列为{x_dc,k}＝{x_v-x_v'|v,v'＝1,2,...,NM}，所述k＝1,2,...,N²M²。

3.根据权利要求1所述的微波装置，其特征在于，所述接收阵列接收到的回波信号为经过滤波器滤波后的回波信号。

4.根据权利要求2所述的微波装置，其特征在于，所述N的值为2，M的值为4。