CN117572425A - Mimo毫米波雷达及其波形设计与处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MIMO毫米波雷达及其波形设计与处理方法，该方法包括第2N+1个脉冲信号由发射天线TX1发射，第2N个脉冲信号由发射天线TX1～TXM同时发射，且调节发射天线TX1～TXM的发射相位，使同时发射的脉冲信号具有正交性；对接收到的第一回波信号、第二回波信号进行距离维快速傅里叶变换，得到第一距离‑速度矩阵、第二距离‑速度矩阵；基于第一距离‑速度矩阵，对第二距离‑速度矩阵进行分离，得到发射天线TX1～TXM的回波信号；对发射天线TX1～TXM的回波信号进行MIMO等效，实现目标角度估计。本发明在相同的时间内增加了脉冲积累数，保证了信噪比和雷达探测距离。

Description

MIMO毫米波雷达及其波形设计与处理方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，尤其涉及一种多发射天线的MIMO毫米波雷达及其波形设计与处理方法。

背景技术

当前毫米波雷达广泛用于车辆防撞预警以及无人机避障等。根据雷达原理可知，目标角度的分辨能力和雷达孔径有直接关系，而相邻雷达天线阵元之间的间距决定了雷达探测角度的不模糊范围，阵元间距越大，探测角度越小。为了保证探测范围(通常为±70度)，同时要尽可能地提高雷达的角度分辨能力，只能增加雷达的天线数目。多发多收(MIMO)体制的雷达，出发点即增加等效天线的阵列孔径，等效天线数或等效阵元数等于发射天线数与接收天线数之积。例如，3发4收的MIMO毫米波雷达，等效阵元数(或等效天线数)为12，如图1所示；12发16收的MIMO毫米波雷达，等效阵元数为192。

要使得M个发射天线和N个接收天线的MIMO毫米波雷达系统等效为M*N个等效阵元的雷达系统，根据MIMO毫米波雷达原理，需要M个发射天线均发射正交信号，如何设计发射信号的波形(即发射波形)以达到发射天线之间的信号具有正交关系并且使得雷达探测能力不减是设计雷达发射波形的难点。

针对多发多收的毫米波雷达，当前常用时分波形设计，即不同时刻控制不同发射天线发射信号，即时分复用(TDMA)，如图2所示，第1个脉冲信号由第1个发射天线TX1发射，第2个脉冲信号由第2个发射天线TX2发射，第3个脉冲信号由第3个发射天线TX3发射，第4个脉冲信号由第4个发射天线TX4发射，……，如此循环。

根据雷达方程可知，雷达探测距离和脉冲积累时间有关，脉冲积累时间越长，雷达对目标探测的距离越远。假设某一雷达脉冲积累时间为T(T时间内包含所有发射天线的发射信号)，发射天线数为M，采用TDMA发射波形的雷达，对于任意某一发射天线的信号(即发射天线发送脉冲信号后产生的回波信号)，能进行脉冲积累的时间为由此可知，发射天线数越多，脉冲积累时间越少，雷达对目标的探测距离越近。当发射天线数为12时，采用TDMA发射波形的雷达，脉冲积累数比单发射天线的脉冲积累数降低12倍，信噪比降低10.8dB，雷达探测距离下降至原来的0.55倍。

发明内容

本发明的目的在于提供一种MIMO毫米波雷达及其波形设计与处理方法，以解决传统的时分复用发射波形设计方法导致雷达信噪比降低，雷达探测距离下降的问题。

本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种MIMO毫米波雷达波形设计与处理方法，包括以下步骤：

设雷达发射波形为脉冲信号，第2N+1个脉冲信号由编号为1的发射天线发射，第2N个脉冲信号由编号为1～M的发射天线同时发射，且同时发射脉冲信号时调节编号为1～M的发射天线的发射相位，使同时发射的脉冲信号具有正交性；其中，M为发射天线数量；

雷达接收端对接收到的第一回波信号、第二回波信号分别进行距离维快速傅里叶变换，得到第一距离-速度矩阵、第二距离-速度矩阵；其中，第一回波信号是编号为1的发射天线发射第2N+1个脉冲信号后产生的回波信号，第二回波信号是编号为1～M的发射天线同时发射第2N个脉冲信号后产生的回波信号；

基于所述第一距离-速度矩阵，对所述第二距离-速度矩阵进行分离，得到编号为1～M的发射天线发射脉冲信号经目标反射后的回波信号；

对编号为1～M的发射天线发射脉冲信号经目标反射后的回波信号进行MIMO等效，实现目标角度估计。

进一步地，同时发射脉冲信号时，编号为1～M的发射天线的发射相位的具体调节方式为：

编号为1的发射天线发射所有脉冲信号的发射相位均为0；

编号为2的发射天线发射第k个脉冲信号的发射相位为

编号为m的发射天线发射第k个脉冲信号的发射相位为

依此类推，编号为M的发射天线发射第k个脉冲信号的发射相位为

其中，k＝1,2,...，m＝1,2...,M，

进一步地，雷达接收端对接收到的第一回波信号、第二回波信号分别进行距离维快速傅里叶变换，具体包括：

对所述第一回波信号进行第一次距离维快速傅里叶变换，得到第一距离维频谱；对于同一距离单元，对所述第一距离维频谱进行第二次距离维快速傅里叶变换，得到第一距离-速度矩阵；

对所述第二回波信号进行第一次距离维快速傅里叶变换，得到第二距离维频谱；对于同一距离单元，对所述第二距离维频谱进行第二次距离维快速傅里叶变换，得到第二距离-速度矩阵。

进一步地，对所述第二距离-速度矩阵进行分离，具体包括：

对所述第一距离-速度矩阵进行恒虚警检测，得到目标所在距离单元和目标所在速度单元；

基于目标所在距离单元和目标所在速度单元，对所述第二距离-速度矩阵进行分离，得到编号为1～M的发射天线发射脉冲信号经目标反射后的回波信号。

进一步地，编号为m的发射天线发射脉冲信号经目标反射后的回波信号为：

其中，x_m表示编号为m的发射天线发射脉冲信号经目标反射后的回波信号，m＝1,2,...,M，A表示第二距离-速度矩阵，p表示目标所在距离单元，q表示目标所在速度单元，A[p,q]表示第二距离-速度矩阵的第p行第q列，Q表示速度单元总数或脉冲积累数。

进一步地，对编号为1～M的发射天线发射脉冲信号经目标反射后的回波信号进行MIMO等效，具体包括：

按照最小扫描间隔，对需要扫描的空间范围进行等分，得到方向角集合U；

设目标的方向角为θ且θ∈U，计算出方位角为θ时目标的导向向量，具体计算公式为：

其中，B(θ)表示方位角为θ时目标的导向向量，D表示天线等效位置，λ表示发射信号波长，j表示复数；

计算出目标的空间谱，具体计算公式为：

其中，S(θ)表示目标的空间谱，X表示多发多收等效回波信号向量，M_r表示接收阵元数，H表示共轭转置；

搜索空间谱S(θ)的峰值点，所述峰值点所对应的方位角为目标角度。

基于同一构思，本发明还提供一种MIMO毫米波雷达，采用如上所述的雷达波形设计与处理方法进行波形设计与处理。

有益效果

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明采用单个发射天线+多个发射天线同时的方式，高效率利用发射天线，在相同的时间内增加了脉冲积累数，增加了发射功率，保证了信噪比和雷达探测距离；同时发射脉冲信号时设计各发射天线的发射相位，使发射天线之间的信号具有正交关系，发射天线之间的信号无需进行速度补偿，避免了采用TDMA方式导致不同时刻阵元之间的相位偏差问题。

本发明避免了仅采用发射调相导致目标探测速度范围降低的问题，避免了在速度未知情况下无法将分离出的回波信号与发射天线编号一一对应的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例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个实施例，对于本领域普通技术人员来说，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是本发明背景技术中3发4收MIMO毫米波雷达等效示意图；

图2是本发明背景技术中采用TDMA方式的雷达波形示意图；

图3是本发明实施例中MIMO毫米波雷达波形设计与处理方法流程图；

图4是本发明实施例中雷达发射波形示意图；

图5是本发明实施例中发射相位调节示意图；

图6是本发明实施例中距离维快速傅里叶变换处理示意图；

图7是本发明实施例中对第一距离-速度矩阵进行恒虚警检测示意图；

图8是本发明实施例中对第二距离-速度矩阵进行分离示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明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作出创造性劳动的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。

下面以具体地实施例对本申请的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

如图3所示，本发明实施例所提供的一种MIMO毫米波雷达波形设计与处理方法，包括以下步骤：

步骤1：设雷达发射波形为脉冲信号，第2N+1个脉冲信号由编号为1的发射天线发射，第2N个脉冲信号由编号为1～M的发射天线同时发射，且同时发射脉冲信号时调节编号为1～M的发射天线的发射相位，使同时发射的脉冲信号具有正交性；

步骤2：雷达接收端对接收到的第一回波信号、第二回波信号分别进行距离维快速傅里叶变换，得到第一距离-速度矩阵、第二距离-速度矩阵；

步骤3：基于第一距离-速度矩阵，对第二距离-速度矩阵进行分离，得到编号为1～M的发射天线发射脉冲信号经目标反射后的回波信号；

步骤4：对编号为1～M的发射天线发射脉冲信号经目标反射后的回波信号进行MIMO等效，实现目标角度估计。

如图4所示的雷达发射波形图，横坐标t表示时间，纵坐标f表示发射频率，对雷达的M个发射天线进行编号，第1个脉冲信号由编号为1的发射天线TX1发射，第2个脉冲信号由编号为1～M的发射天线TX1～TXM同时发射，第3个脉冲信号由编号为1的发射天线TX1发射，第4个脉冲信号由编号为1～M的发射天线TX1～TXM同时发射，……，依次此循环。即，第2N+1个脉冲信号由编号为1的发射天线TX1发射，第2N个脉冲信号由编号为1～M的发射天线TX1～TXM同时发射，其中，N＝0,1,2,...。

为了使由编号为1～M的发射天线TX1～TXM同时发射的脉冲信号(即第2N个脉冲信号)具有正交性，还需按照一定规律对发射天线的发射相位进行调节。如图5所示，编号为1的发射天线TX1发射所有脉冲信号的发射相位φ均为0，编号为2的发射天线TX2发射第k个脉冲信号的发射相位φ为编号为m的发射天线TXm发射第k个脉冲信号的发射相位φ为/>依此类推，编号为M的发射天线TXM发射第k个脉冲信号的发射相位φ为/>其中，k＝1,2,...，m＝1,2...,M，/>当k＝1时，第k个脉冲信号即为N＝1时的脉冲信号(即为雷达发射波形图中的第2个脉冲信号)；当k＝2时，第k个脉冲信号即为N＝2时的脉冲信号(即为雷达发射波形图中的第4个脉冲信号)。

为了获取回波信号的距离-速度矩阵，需要对回波信号进行距离维快速傅里叶变换(即FFT)。距离维快速傅里叶变换是一种用于处理雷达数据的信号处理技术，通过对接收到的回波信号进行傅里叶变换，可以将时域上的信号转换为频域上的信号。在毫米波雷达中，距离维FFT可用于将接收到的回波信号转换为目标物体的距离信号。

如图6所示，步骤2中，雷达接收端对接收到的第一回波信号、第二回波信号分别进行距离维快速傅里叶变换，具体包括：

对第一回波信号进行第一次距离维快速傅里叶变换，得到第一距离维频谱；对于同一距离单元，对第一距离维频谱进行第二次距离维快速傅里叶变换，得到该距离单元的速度维频谱；对于所有距离单元，对第一距离维频谱进行第二次距离维快速傅里叶变换，则得到第一距离-速度矩阵；

对第二回波信号进行第一次距离维快速傅里叶变换，得到第二距离维频谱；对于同一距离单元，对第二距离维频谱进行第二次距离维快速傅里叶变换，得到该距离单元的速度维频谱；

对于所有距离单元，对第二距离维频谱进行第二次距离维快速傅里叶变换，则得到第二距离-速度矩阵。

距离维频谱是指回波信号能量在不同距离单元上的分布，雷达的距离单元对应于雷达的分辨距离，距离是连续的，距离单元是离散的。雷达的距离单元是雷达波长在空气中传播时的一半，也称为半波长。因为在雷达测距中，波长与距离之间存在一定的关系，使用半波长作为距离单元可以使雷达系统的距离测量更加准确。图6中，v表示速度方向，r表示距离方向。

为了进行MIMO毫米波雷达的阵元等效，需要将各发射天线的回波信号(即同时发射脉冲信号时，各发射天线发射脉冲信号经目标反射后的回波信号)进行有效分解。在本发明的一个具体实施方式中，对第二距离-速度矩阵进行分离，具体包括：

步骤3.1：对第一距离-速度矩阵进行恒虚警(CFAR)检测，得到目标所在距离单元和目标所在速度单元；

步骤3.2：基于目标所在距离单元和目标所在速度单元，对第二距离-速度矩阵进行分离，得到编号为1～M的发射天线发射脉冲信号经目标反射后的回波信号。

如图7所示，目标所在距离单元为p，距离单元总数为P，目标所在速度单元为q，速度单元总数或脉冲积累数为Q。基于目标所在距离单元p和目标所在速度单元q，在第二距离-速度矩阵中确定各发射天线的回波信号，编号为1的发射天线TX1的回波信号(即同时发射脉冲信号时，编号为1的发射天线发射脉冲信号经目标反射后的回波信号)为：

x₁＝A[p,q] (1)

其中，A表示第二距离-速度矩阵，A[p,q]表示第二距离-速度矩阵的第p行第q列。

编号为m的发射天线TXm的回波信号(即同时发射脉冲信号时，编号为m的发射天线发射脉冲信号经目标反射后的回波信号)为：

其中，x_m表示编号为m的发射天线发射脉冲信号经目标反射后的回波信号，m＝1,2,...,M，A[p,(m-1)Δ+q]表示第二距离-速度矩阵的第p行第(m-1)Δ+q列。Δ表示中间量，在波束设计中，需要设计使Δ为整数，即脉冲积累数Q为发射天线数的整数倍M。

分离后各发射天线的回波信号如图8所示，图8中，发射天线数M为5。

在本发明的一个具体实施方式中，对编号为1～M的发射天线发射脉冲信号经目标反射后的回波信号进行MIMO等效，具体包括：

步骤4.1：按照最小扫描间隔，对需要扫描的空间范围(例如±70°)进行等分，得到方向角集合U；

步骤4.2：设目标的方向角为θ(即目标从θ来)且θ∈U，计算出方位角为θ时目标的导向向量，具体计算公式为：

其中，B(θ)表示方位角为θ时目标的导向向量，D表示天线等效位置，λ表示发射信号波长，j表示复数；

步骤4.3：计算出目标的空间谱，具体计算公式为：

其中，S(θ)表示目标的空间谱，X表示多发多收等效回波信号向量，M_r表示接收阵元数，H表示共轭转置；

步骤4.4：搜索空间谱S(θ)的峰值点，该峰值点所对应的方位角为目标角度。

本发明采用单个发射天线+多个发射天线同时的方式，高效率利用发射天线，在相同的时间内增加了脉冲积累数，增加了发射功率，保证了信噪比和雷达探测距离；同时发射脉冲信号时设计各发射天线的发射相位，使发射天线之间的信号具有正交关系，发射天线之间的信号无需进行速度补偿，避免了采用TDMA方式导致不同时刻阵元之间的相位偏差问题。

以上所揭露的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，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种MIMO毫米波雷达波形设计与处理方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

设雷达发射波形为脉冲信号，第2N+1个脉冲信号由编号为1的发射天线发射，第2N个脉冲信号由编号为1～M的发射天线同时发射，且同时发射脉冲信号时调节编号为1～M的发射天线的发射相位，使同时发射的脉冲信号具有正交性；其中，M为发射天线数量；

雷达接收端对接收到的第一回波信号、第二回波信号分别进行距离维快速傅里叶变换，得到第一距离-速度矩阵、第二距离-速度矩阵；其中，第一回波信号是编号为1的发射天线发射第2N+1个脉冲信号后产生的回波信号，第二回波信号是编号为1～M的发射天线同时发射第2N个脉冲信号后产生的回波信号；

基于所述第一距离-速度矩阵，对所述第二距离-速度矩阵进行分离，得到编号为1～M的发射天线发射脉冲信号经目标反射后的回波信号；

对编号为1～M的发射天线发射脉冲信号经目标反射后的回波信号进行MIMO等效，实现目标角度估计。

2.根据权利要求1所述的MIMO毫米波雷达波形设计与处理方法，其特征在于，同时发射脉冲信号时，编号为1～M的发射天线的发射相位的具体调节方式为：

编号为1的发射天线发射所有脉冲信号的发射相位均为0；

编号为2的发射天线发射第k个脉冲信号的发射相位为

编号为m的发射天线发射第k个脉冲信号的发射相位为

依此类推，编号为M的发射天线发射第k个脉冲信号的发射相位为

其中，k＝1,2,...，m＝1,2...,M，

3.根据权利要求1所述的MIMO毫米波雷达波形设计与处理方法，其特征在于，雷达接收端对接收到的第一回波信号、第二回波信号分别进行距离维快速傅里叶变换，具体包括：

对所述第一回波信号进行第一次距离维快速傅里叶变换，得到第一距离维频谱；对于同一距离单元，对所述第一距离维频谱进行第二次距离维快速傅里叶变换，得到第一距离-速度矩阵；

对所述第二回波信号进行第一次距离维快速傅里叶变换，得到第二距离维频谱；对于同一距离单元，对所述第二距离维频谱进行第二次距离维快速傅里叶变换，得到第二距离-速度矩阵。

4.根据权利要求1所述的MIMO毫米波雷达波形设计与处理方法，其特征在于，对所述第二距离-速度矩阵进行分离，具体包括：

对所述第一距离-速度矩阵进行恒虚警检测，得到目标所在距离单元和目标所在速度单元；

基于目标所在距离单元和目标所在速度单元，对所述第二距离-速度矩阵进行分离，得到编号为1～M的发射天线发射脉冲信号经目标反射后的回波信号。

5.根据权利要求4所述的MIMO毫米波雷达波形设计与处理方法，其特征在于，编号为m的发射天线发射脉冲信号经目标反射后的回波信号为：

x₁＝A[p,q]，

其中，x_m表示编号为m的发射天线发射脉冲信号经目标反射后的回波信号，m＝1,2,...,M，A表示第二距离-速度矩阵，p表示目标所在距离单元，q表示目标所在速度单元，A[p,q]表示第二距离-速度矩阵的第p行第q列，Q表示速度单元总数或脉冲积累数。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的MIMO毫米波雷达波形设计与处理方法，其特征在于，对编号为1～M的发射天线发射脉冲信号经目标反射后的回波信号进行MIMO等效，具体包括：

按照最小扫描间隔，对需要扫描的空间范围进行等分，得到方向角集合U；

设目标的方向角为θ且θ∈U，计算出方位角为θ时目标的导向向量，具体计算公式为：

其中，B(θ)表示方位角为θ时目标的导向向量，D表示天线等效位置，λ表示发射信号波长，j表示复数；

计算出目标的空间谱，具体计算公式为：

S(θ)＝B^HX，

其中，S(θ)表示目标的空间谱，X表示多发多收等效回波信号向量，M_r表示接收阵元数，H表示共轭转置；

搜索空间谱S(θ)的峰值点，所述峰值点所对应的方位角为目标角度。

7.一种MIMO毫米波雷达，其特征在于，所述MIMO毫米波雷达采用如权利要求1～6中任一项所述的雷达波形设计与处理方法进行波形设计与处理。