基于毫米波避撞雷达的分集相控阵设计方法技术

本发明专利技术涉及一种基于毫米波避撞雷达的分集相控阵设计方法，通过设计雷达发射阵元间距等于接收阵列长度，发射波束通过多个拍次的扫描实现全空域覆盖，其中每个拍次会形成多个方向上的发射栅瓣，接收波束通过数字波束形成(DBF)在每个拍次上同时指向发射栅瓣位置，通过多排次的合成形成覆盖全空域的扫描。该方法不需产生正交信号，但能实现MIMO雷达虚拟孔径的性能，因此能有效控制系统复杂度降低雷达成本。

【技术实现步骤摘要】
基于毫米波避撞雷达的分集相控阵设计方法
本专利技术所属雷达总体设计领域，具体为毫米波避撞雷达的分集相控阵天线阵列设计和信号处理方法。
技术介绍
毫米波防撞雷达往往采用调频连续波(LFMCW)体制，为扩大天线接收口径，提高雷达方位分辨率可采用多发多收(MIMO)系统。传统MIMO系统需要发送正交信号，正交方式可分为时分、频分、码分方式。其中，时分方式由于发射天线分时发射，因此需要补偿由于目标运动造成的接收端相位差，需要引入额外的相位补偿算法；另外随着发射天线数目的增加，等效的脉冲积累周期(CPI)呈倍数增加，容易造成测速模糊。频分方式由于发射天线分频发射，又由于由距离造成的相位差和频率相耦合，因此接收端在解调不同天线发射的信号时需逐距离单元进行解调，算法过于复杂难以用于实时性要求高的系统。码分方式由于发射天线发射正交编码信号，因此不能像传统LFMCW那样通过自混频进行波形去斜来减小接收带宽，因此要求极高的采样率和信号处理能力，增加了系统成本。利用分集相控阵技术，既能获得MIMO雷达增加虚拟孔径的优势，又能降低系统的复杂度从而控制系统的成本和体积。近年来国内外有多位学者提出分集相控阵理论。该类文献虽说明了分集相控阵的原理及可行性，但并未从避撞雷达的实际工作环境来设计系统，也缺少具体的工程实现方法。本专利技术针对分集相控阵雷达在避撞领域的应用，对天线阵列设计和信号处理方法进行推导，并给出工程上的具体实现方法。
技术实现思路
要解决的技术问题在毫米波防撞雷达领域，为了扩大天线孔径并尽可能的降低天线收发通道数，往往利用MIMO雷达技术实现虚拟孔径的生成，由于MIMO雷达需要发射正交信号，在接收端解调分离各发射支路信号需要引入复杂的信号处理算法，增加了系统成本。技术方案一种基于毫米波避撞雷达的分集相控阵设计方法，雷达发射阵元间距等于接收阵列长度。发射波束通过多个拍次的扫描实现全空域覆盖，其中每个拍次会形成多个方向上的发射栅瓣，接收波束通过数字波束形成(DBF)在每个拍次上同时指向发射栅瓣位置。通过多排次的合成形成覆盖全空域的扫描。一种基于毫米波避撞雷达的分集相控阵设计方法，其特征在于步骤如下：步骤1：接收阵列包含N个阵子单元，阵元间间距为dR＝αλ，其中α为比例系数，λ为雷达波长；发射阵列包含M个阵子单元，阵元间间距为dT＝Nαλ；步骤2：计算发射栅瓣出现位置：θn＝arcsin(nλ/dT+sinθ0)＝arcsin(n/Nα+sinθ0)，θ0为雷达的空间指向；计算不同拍次的接收阵列移相相位间隔其中n表示第n个接收阵元，m表示第m个拍次，m∈[0,M-1]，θm＝mθn/M；在第m个拍次接收阵列按照进行移相使得接收波束指向发射波束的各栅瓣位置；步骤3：根据M个拍次获得的子空域探测到的目标强度，在目标方位插值表中查询目标的估计角度信息；所述的目标方位插值表根据阵列天线远场测试获得的方向图，具体为幅度比和角度的对应关系。有益效果本专利技术设计一种基于毫米波避撞雷达的分集相控阵设计方法，该方法不需产生正交信号，但能实现MIMO雷达虚拟孔径的性能，因此能有效控制系统复杂度降低雷达成本。附图说明图1为MIMO雷达信号处理示意图。图2为2发8收MIMO雷达示意。图3为2发射天线0相差和π相差的天线方向图。图4为2发8收分集相控阵雷达的收发合成方向图。图5为0°和7.2°波束交叠示意图。具体实施方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：本专利技术包括毫米波避撞雷达的分集相控阵天线阵列设计和信号处理方法两个方面，主要包含如下步骤：(1)对分集相控阵雷达和MIMO雷达的性能等效关系进行数学推导证明；(2)分集相控阵雷达天线方向图的合成方法；(3)单拍数据的信号处理方法；(4)多拍数据的信号合成方法。下面分别对各步骤进行具体描述：步骤(1)集中式MIMO雷达通过发射正交波形形成虚拟孔径，其信号处理流程如图1所示。令目标为单一目标，雷达各收发单元的辐射强度和回波到达各天线单元的回波强度均一致(为便于分析令该强度为单位强度)。令经过数字域处理后MIMO雷达的空间指向角度为θ，则阵元合成的矢量和为：式1.1中，阵元的输入信号被分为两项，为信号矢量，Vm_n为噪声矢量。Δφt和Δφr表示由波程差引起的发射天线相邻阵元和接收天线相邻阵元辐射场的相位差，和是为了形成θ方向波束而引入的阵元间相移，有其中dt和dr分别表示发射单元和接收单元的间距，θt和θr分别为发射和接收波束指向。Vm_n表示第n个接收通道对第m个发射通道的波形进行解扩后的噪声。对目标回波信号的矢量合成项进行细化分析：由式1.2可见，雷达的目标回波信号的矢量合成实际为雷达收发方向图的乘积。因此对于收发分置的MIMO雷达，若采用分集相控阵方式，只要能产生和MIMO雷达相同的指向，则MIMO雷达和相控阵雷达的合成方向图完全一致。步骤(2)将MIMO雷达的虚拟孔径按波达方向进行全相参处理，则由虚拟孔径形成的方向图等效为发射孔径的方向图乘以接收孔径的方向图。因此对于分集相控阵雷达，只要通过移相手段保证发射阵列的波束指向和接收阵列的波束指向一致，则在该指向上合成的天线方向图与MIMO雷达合成方向图是一致的。对于具有M个发射通道N个接收通道，发射通道间隔为dTx接收通道间隔为dRx的MIMO雷达，为获取最大合成孔径，一般取dTx＝N*dRx，dRx＝0.5λ。对于相控阵雷达，若采取同样的天线排布，则由于dTx>λ，则天线发射方向图会形成栅瓣。如图2所示，模拟一个2发8收的MIMO雷达系统，接收间距dRx＝0.5λ，dTx＝4λ，则合成虚拟孔径后等效为一个1发16收的雷达系统。若按该天线收发间距设计分集相控阵雷达，则发射天线方向图会产生栅瓣。考虑两发射天线相差为0和π的情况下，会产生如图3所示的发射方向图。图3中，发射天线相差为0和π时会各产生8个方向的栅瓣指向，若接收天线能在2个时刻分别覆盖这8个方向则同样能等效为一个1发16收的雷达系统。步骤(3)令接收阵列包含N个阵子单元，阵元间间距为dR＝αλ，其中α为比例系数，λ为雷达波长。则根据步骤(2)合适的发射单元间距为dT＝Nαλ。工程上为了在数字域实现快速高效的移相，往往采用基于FFT的波束形成方法。而FFT是批处理算法，即一次处理会在多个方向上形成波束的空间指向。令雷达的空间指向为θ0，则在因此若θ0＝0，则有θn＝θ'n即N个接收通道进行FFT处理后对应的接收方向指向正好指向N个栅瓣方向。而通过在一个周期的不同拍次控制发射天线的相差可实现基于θm的移相，θn方向会出现栅瓣：πdT(sinθn-sinθ0)/λ＝nπn＝±1,±2即：θn＝arcsin(nλ/dT+sinθ0)＝arcsin(n/Nα+sinθ0)n＝±1,±2…(1.3)对于接收通道的N点FFT，第n点的移相间隔为其对应的角度指向为为不同发射周期发射单元的波束指向角，一般取θm＝mθn/M,(n＝1)，m为拍次序号。对应的接收移相间隔为图4为2发8收分集相控阵雷达的收发合成方向图，由图可见在一个周期的奇、偶拍上分别在8个方向上形成方向图，一共形成16个空间指向。步骤(4)按步骤(2)～(3)设计的分集相控阵雷达，若系统具有M个发射阵子，则经过M次的单拍信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于毫米波避撞雷达的分集相控阵设计方法，其特征在于步骤如下：步骤1：接收阵列包含N个阵子单元，阵元间间距为dR＝αλ，其中α为比例系数，λ为雷达波长；发射阵列包含M个阵子单元，阵元间间距为dT＝Nαλ；步骤2：计算发射栅瓣出现位置：θn＝arcsin(nλ/dT+sinθ0)＝arcsin(n/Nα+sinθ0)，θ0为雷达的空间指向；计算不同拍次的接收阵列移相相位间隔

【技术特征摘要】
1.一种基于毫米波避撞雷达的分集相控阵设计方法，其特征在于步骤如下：步骤1：接收阵列包含N个阵子单元，阵元间间距为dR＝αλ，其中α为比例系数，λ为雷达波长；发射阵列包含M个阵子单元，阵元间间距为dT＝Nαλ；步骤2：计算发射栅瓣出现位置：θn＝arcsin(nλ/dT+sinθ0)＝arcsin(n/Nα+sinθ0)，θ0为雷达的空间指向；计算不同...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐尧，杜自成，张明，段芳芳，景雄，
申请(专利权)人：西安电子工程研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61