CN117452390B - 一种ddma-mimo雷达速度估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种DDMA‑MIMO雷达速度估计方法，其控制雷达发射两种以上子带组波形，所述两种以上子带组波形具有不同的相位调制矩阵，分别对发射天线进行调制，得到两组以上回波数据。对两组以上的回波数据矩阵分别对距离维和多普勒维做二维快速Fourier变换，得到目标的距离多普勒谱。对两组以上的回波数据对应的距离多普勒谱分别进行谱峰粗搜索，对比谱峰数量判断是否有目标在多普勒维发生重叠，对未发生目标重叠的回波数据进行目标检测，提取目标速度。

Description

一种DDMA-MIMO雷达速度估计方法

技术领域

本发明涉及雷达信号处理技术领域，具体涉及一种DDMA-MIMO雷达速度估计方法。

背景技术

毫米波雷达因其能够适应恶劣天气环境以及日夜工作等特性，在自动驾驶系统中发挥着重要的作用。多普勒频分多址多发多收雷达（DDMA-MIMO）采用多个发射天线和接收天线相配合，不同发射天线同时发射雷达信号，相比于传统的时分复用多发多收（TDM-MIMO）雷达具有更高的发射增益，同时对每个发射天线添加多普勒相位调制，将不同发射天线的信号在多普勒域上分离。

由于多个发射天线的信号具有等间隔的相位偏移，且由接收天线同时接收，因此目标在多普勒谱上将若干有等间隔分布的目标延拓，若目标处于同一距离，且速度间隔为目标延拓间隔的整数倍，则该类目标在多普勒维会发生重叠现象，造成漏检。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种DDMA-MIMO雷达速度估计方法，以实现重叠目标的分离与速度估计，避免漏检。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种DDMA-MIMO雷达速度估计方法，所述方法包括以下步骤：

设置S组不同的线性相位调制矩阵对DDMA-MIMO毫米雷达的发射天线进行调制，并控制发射天线发射信号；S组线性相位调制矩阵的子带数不同，其中，S≥2；

DDMA-MIMO毫米雷达的接收天线接收到S组回波信号，对S组回波信号进行下变频处理，然后进行二维傅里叶变换，得到目标的距离多普勒谱，目标在该距离多普勒谱的多普勒维具有等间隔延拓的特点；

对S组回波信号对应的距离多普勒谱分别做谱峰搜索，得到每个距离单元的谱峰数量；

谱峰数量非0的距离单元即目标存在，判断其是否存在目标重叠；具体地，当S组回波数据对应的谱峰数量相同时，无需进行取模运算，可直接进行恒虚警检测；当S组回波数据对应的谱峰数量不等时，将S组回波信号对应的非0谱峰数量分别对发射天线数做取模运算，余数不为0的组存在目标重叠，余数为0的组无目标重叠；

对目标存在，且未发生目标重叠的距离单元所对应的多普勒维数据做恒虚警检测；

检测完毕后，输出目标的距离索引和多普勒索引。

所述S组线性相位调制矩阵的子带数为互质关系。

设置S组不同的线性相位调制矩阵对DDMA-MIMO毫米雷达的发射天线进行调制具体为：

根据设置的S组不同的线性相位调制矩阵，在相邻S组相参处理间隔内分别通过移相器控制发射天线发射具有不同相位偏移量的波形，不同发射天线同时工作。

采用上述方案后，本发明基于DDMA-MIMO雷达，DDMA-MIMO雷达，设计了多组不同的线性相位调制矩阵，分别对发射天线进行调制，得到多组回波数据。对多组回波数据矩阵分别对距离维和多普勒维做二维快速Fourier变换，得到目标在多普勒维等间隔延拓的距离多普勒谱。对多组回波数据对应的距离多普勒谱分别进行谱峰粗搜索，对比谱峰数量判断是否有目标在多普勒维发生重叠，对未发生目标重叠的回波数据进行目标检测，提取目标速度。

相比于单组线性相位调制矩阵的模式，本发明设计了多组子带间隔不同的相位调制矩阵，使目标在多普勒维的延拓间隔发生改变。当目标位于同一距离单元且速度间隔为子带间隔整数倍时，使用单组线性相位调制矩阵会导致目标在多普勒维发生重叠，造成漏检。而互异子带组的设计使得当其中一组距离多普勒谱发生目标重叠时，在其他至少一组距离多普勒谱中目标是非重叠的，因此可以实现重叠目标的分离与检测，避免目标漏检。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为第一组调制相位矩阵对应的距离多普勒谱；

图3为第二组调制相位矩阵对应的距离多普勒谱。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本公开的各方面。

附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

如图1所示，本发明一种DDMA-MIMO雷达速度估计方法，通过设计多组不同的线性相位调制矩阵，在相邻CPI（相参处理间隔）内分别对发射天线进行调制，得到多组回波数据。对多组回波数据矩阵分别对距离维和多普勒维做二维快速Fourier变换，得到目标在多普勒维等间隔延拓的距离多普勒谱。对多组回波数据对应的距离多普勒谱分别进行谱峰粗搜索，对比谱峰数量判断是否有目标在多普勒维发生重叠，对未发生目标重叠的回波数据进行目标检测，提取目标速度。

DDMA-MIMO雷达对探测目标发射一个传播速度为的线性调频连续波信号；探测目标为与雷达相距/>且具有相对运动的物体。当发射的线性调频连续波信号到达探测目标时，探测目标将会反射回波信号，并被雷达的接收天线接收。反射的回波信号模型如下，为发射信号，发射信号时延为/>，回波信号为：

(1)

代入时延，并做下变频处理，可以得到：

(2)

从式(2)可以看出，DDMA-MIMO体制下每个接收天线接收的回波是不同发射天线发射信号的线性叠加，由于不同发射天线分别附加了一定的相位偏移，因此对回波信号进行二维Fourier变换处理后，同一个目标将在多普勒域出现延拓，当不同目标位于相同距离单元，且速度差为延拓间隔的整数倍时，该类目标在多普勒域会发生重叠。本发明通过设计多组不同的发射天线调制相位，使目标在相邻CPI的多普勒域的延拓不同，当在组1内发生重叠时，在其他组中的至少一组不会发生重叠，因此，可通过比较多组距离多普勒谱的谱峰数量，判断是否存在目标重叠，对未发生重叠的距离多普勒谱做目标检测，提取目标速度。

如图1所示，本发明一种DDMA-MIMO雷达速度估计方法具体步骤如下：

步骤一、DDMA-MIMO毫米波雷达设有N个发射天线和M个接收天线，该DDMA-MIMO毫米波雷达根据预先设置的S组线性调制相位矩阵，分别在S次CPI内通过移相器对个发射天线的发射信号施加相位偏移，每个发射天线对应的线性调频相位为，/>，/>为线性相位调制矩阵的序号，/>表示虚数部分。每个发射天线发射/>个线性调频连续波信号，为了便于多普勒子带的划分，需为正整数。

个发射天线同时发射，对于第/>个接收天线，其回波信号为所有发射天线发射信号的线性叠加，可以表示为：

(3)

其中，为回波时延，/>为光速，/>为快时间，/>为脉冲周期，/>表示脉冲序号；/>为带宽，式中/>为调频斜率，/>为信号起始频率；/>表示发射天线序号，/>表示接收天线序号；/>为接收天线阵元间隔， 且与波长/>存在数学关系/>；为目标角度；/>为第/>组相位调制矩阵对应的第/>个发射天线发射的第/>个chirp信号的线性调制相位，/>为相位调制矩阵的序号，序号1对应回波数据为组1，序号2对应回波数据为组2……/>为组1划分的子带数，为组2划分的子带数，……；S组相位调制矩阵的子带数是不同的。进一步地，根据中国剩余定理，S组相位调制矩阵的子带数为互质关系时，能够更好地避免目标漏检。

步骤二、对每个接收通道的回波做下变频（去斜）处理，获得含有目标距离、速度、角度信息的维基带信号矩阵，/>为距离维（快时间维度）的采样点数。

步骤三、对下变频后的基带信号矩阵进行二维傅里叶变换。

具体地，首先对下变频后的基带信号矩阵的距离维进行一维快速Fourier变换，目标回波在对应距离单元形成尖峰，得到目标的一维距离像。

然后对距离维聚焦后的回波信号的每个距离分辨单元沿慢时间维度做多普勒维Fourier变换，得到S组CPI回波信号对应的距离多普勒谱，此时目标在多普勒方向分别以不同间隔非均匀延拓了次。不同CPI回波信号的距离多普勒谱中，目标在多普勒方向都是均匀延拓的，只是不同组延拓的间隔不同。

步骤一中引入的S组不同的线性调频相位矩阵在相邻S组CPI内对N个发射天线分别进行调制，从而使N个发射天线对应的回波信号在多普勒方向的延拓间隔不同，使重叠目标在多普勒维分离。

步骤四、步骤一S组线性相位调制矩阵的划分方式不同，因此对应的距离多普勒谱中的多普勒延拓间隔不同。对S组回波数据矩阵对应的距离多普勒谱分别做谱峰粗搜索，得到每个距离单元的谱峰数量，/>为距离索引。

步骤五、步骤四中谱峰数量非0的距离单元即为目标存在，判断其是否存在目标重叠。当目标未发生重叠时，单个距离单元对应的多普勒维谱峰数量为发射天线数的整数倍。

具体地，当S组回波数据对应的谱峰数量相同时，无需进行取模运算，可直接进行恒虚警检测；当S组回波数据对应的谱峰数量不等时，对S组回波数据对应的谱峰数量分别对发射天线数做取模运算/>，余数不为0的组存在目标重叠，将余数为0的组目标不重叠。

步骤六、对步骤五中有目标存在，即不为0的距离单元完成目标重叠的判断后，将未存在目标重叠的距离单元所对应的多普勒维数据作为检测器的输入，做恒虚警检测。

检测完毕后，输出目标的距离索引与多普勒索引/>。

本发明中，下变频处理、傅里叶变换以及恒虚警检测采用现有方法即可，本发明中不对此进行过多赘述。

本发明基于DDMA-MIMO雷达，通过设计多组不同的线性相位调制矩阵，在相邻CPI内分别对发射天线进行调制，得到多组回波数据。对多组回波数据矩阵分别对距离维和多普勒维做二维快速Fourier变换，得到目标在多普勒维等间隔延拓的距离多普勒谱。对多组回波数据对应的距离多普勒谱分别进行谱峰粗搜索，对比谱峰数量判断是否有目标在多普勒维发生重叠，对未发生目标重叠的回波数据进行目标检测，提取目标速度。由于采用多组子带数互异的子带组进行调制，因此能够分离速度间隔为某一子带组间隔整数倍的重叠目标，实现目标检测与速度估计。

为更好说明本发明所达成的技术效果，以下将提供本发明方法的仿真实验。该仿真实验视为本发明的一具体实施例，该实施例设置了两组不同的线性调制矩阵，且其划分的子带数为互质关系。其中，雷达参数设置如表1所示：

表 1

目标参数设置如表2所示：

表 2

由于DDMA-MIMO雷达在多普勒维度的周期延拓特性，未插入空子带时，每个子带对应的最大不模糊速度为。组1插入的空子带数量/>，子带划分数为，发射天线附加的多普勒频偏为/>，每个子带对应的最大不模糊速度区间为/>；组2插入的空子带数量/>，子带划分数为，发射天线附加的多普勒频偏为/>，每个子带对应的最大不模糊速度区间为/>。

另外，相比于单组线性相位调制矩阵的模式，本实施例设计了两组子带间隔不同的相位调制矩阵，使目标在多普勒维的延拓间隔发生改变。当目标位于同一距离单元且速度间隔为子带间隔整数倍时，使用单组线性相位调制矩阵会导致目标在多普勒维发生重叠，造成漏检。而互异子带组的设计使得当其中一组距离多普勒谱发生目标重叠时，在另一组距离多普勒谱中是非重叠的，因此可以实现重叠目标的分离与检测，避免目标漏检。

组1和组2对应的距离多普勒谱处理结果分别如图2和图3所示。图2和图3中左边是归一化距离多普勒谱的侧视图，可以根据高度反应强度，右边是俯视图左图，可以根据颜色反应强度。从图2可以看到，组1的距离多普勒谱中目标发生了目标重叠，只能检测到6个目标谱峰。而从图3可以看到，组2的距离多普勒谱中目标未发生重叠，可以检测到8个目标谱峰。通过检测流程判断，组1与组2的谱峰数量不同，两者分别对发射天线数量做取模运算后，组1对应的余数非0，而组2对应的余数为0，因此判断组2未发生目标重叠，对组2进行恒虚警检测则可以得到正确的目标速度估计。

以上所述，仅是本发明实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种DDMA-MIMO雷达速度估计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

设置S组不同的线性相位调制矩阵对DDMA-MIMO毫米雷达的发射天线进行调制，并控制发射天线发射信号，每个发射天线对应的线性调频相位为，其中，/>，/>为线性相位调制矩阵的序号，S≥2，/>表示虚数部分，/>表示脉冲序号；S组线性相位调制矩阵的子带数不同；

DDMA-MIMO毫米雷达的接收天线接收到S组回波信号，对S组回波信号进行下变频处理，然后进行二维傅里叶变换，得到目标的距离多普勒谱，目标在该距离多普勒谱的多普勒维具有等间隔延拓的特点；

对S组回波信号对应的距离多普勒谱分别做谱峰搜索，得到每个距离单元的谱峰数量；

谱峰数量非0的距离单元即目标存在，判断其是否存在目标重叠；具体地，当S组回波数据对应的谱峰数量相同时，无需进行取模运算，可直接进行恒虚警检测；当S组回波数据对应的谱峰数量不等时，将S组回波信号对应的非0谱峰数量分别对发射天线数做取模运算，余数不为0的组存在目标重叠，余数为0的组无目标重叠；

对目标存在，且未发生目标重叠的距离单元所对应的多普勒维数据做恒虚警检测；

检测完毕后，输出目标的距离索引和多普勒索引。

2.根据权利要求1所述的一种DDMA-MIMO雷达速度估计方法，其特征在于，所述S组线性相位调制矩阵的子带数为互质关系。

3.根据权利要求1所述的一种DDMA-MIMO雷达速度估计方法，其特征在于，设置S组不同的线性相位调制矩阵对DDMA-MIMO毫米雷达的发射天线进行调制具体为：

根据设置的S组不同的线性相位调制矩阵，在相邻S组相参处理间隔内分别通过移相器控制发射天线发射具有不同相位偏移量的波形，不同发射天线同时工作。