基于阵元相位差的时分MIMO雷达运动补偿方法技术

本发明专利技术公开了一种基于阵元相位差的时分MIMO雷达的运动补偿方法，主要解决现有技术中时分MIMO雷达对运动目标角度测量不准确的问题。其实现步骤是：1)构建时分MIMO雷达的收发阵列，并确定收发阵元的收发时序；2)利用等效虚拟接收阵列的数据进行目标检测；3)利用相邻接收阵元的相位差构建相位补偿矢量；4)用构建的运动补偿矢量对目标检测结果进行相位校正；5)对校正后的数据进行数字波束形成处理，准确估计检测目标的角度。本发明专利技术实现了时分MIMO雷达的目标运动补偿，保证了被检测目标角度的准确估计，可用于汽车智能驾驶中对毫米波雷达运动补偿。

Motion Compensation Method for Time Division MIMO Radar Based on Phase Difference of Array Elements

【技术实现步骤摘要】
基于阵元相位差的时分MIMO雷达运动补偿方法
本专利技术属于雷达
，尤其涉及一种时分MIMO雷达运动补偿方法,可用于汽车智能驾驶中对毫米波雷达运动补偿。
技术介绍
在汽车智能安全驾驶技术中，毫米波雷达凭借自身的全天时、全天候工作的优势，成为确保汽车安全驾驶传感器组中必不可少的传感器。同时，随着技术的不断推进，汽车安全驾驶对毫米波雷达提出了更高的分辨率要求。距离分辨率的提高可以通过增大发射信号的带宽来实现，角度分辨率的提高可以通过增大天线孔径来实现。多输入多输出MIMO技术被认为是增加天线孔径的一项重要技术。MIMO技术可以在有限的阵元个数的情况下，通过扩展虚拟孔径来增加天线的孔径，提高雷达的角度分辨。从而，满足汽车雷达小体积、少天线、高分辨率的要求。MIMO雷达要求发射正交波形，传统的MIMO波形有频分复用FDM、时分复用TDM和码分复用CDM波形。考虑到MIMO汽车雷达的实现复杂度和成本限制，采用基于时分复用TDM技术的MIMO雷达是一种可行的解决方案。但是，通过TDM技术实现的MIMO雷达缺点在于：在不同的发射阵元切换时间段内由于目标相对运动引起的相位变化量会耦合到各接收阵元上，影响角度的正确测量。为了确保运动目标角度测量的准确性，需要在角度测量之前对目标运动引起的相位项进行补偿。目前，国内外机构开展了TDM-MIMO雷达的运动目标的相位补偿方法研究，主要有以下几种方法：1、C.M.Schmid等人在其发表的论文“MotioncompensationandefficientarraydesignforTDMAFMCWMIMOradarsystems，”(EuropeanConferenceonAntennasandPropagationIEEE,2012:1746-1750)中提出重叠虚拟阵元的方法进行运动目标相位补偿。具体方案是：通过有效的阵列设计，形成重叠的虚拟阵元，利用重叠的虚拟阵元提取目标运动引起的相位，从而对天线阵列进行相位补偿。这种方法可以有效的对目标运动引起的相位进行补偿，但是，重叠阵元的存在减小了虚拟天线阵列的有效孔径，降低了雷达的角度分辨率，即这种方法是以牺牲一定的阵列孔径为代价来达到运动补偿的效果的。2、Z.Dominik等人在其发表的论文“PhasemigrationeffectsinmovingtargetlocalizationusingswitchedMIMOarrays.Europeanradarconference(2015):85-88.”(Europeanradarconference(2015):85-88)中提出“用单个天线接收的信号估计目标运动速度，从而计算目标运动引入的相位项，最后对目标回波信号进行相位补偿”的思路。这种方法的关键在于准确估计探测目标的速度，利用估计出的速度计算目标运动引起的相位项，构建相位补偿矩阵，速度估计的准确性直接影响运动补偿效果，同时也会影响目标角度测量的准确性，此外由于这种方法在求解目标运动速度的过程中，只利用了单个天线接收目标的回波信号，对于低信噪比目标，单个天线接收的目标回波信号能量较小甚至淹没在噪声里，此时，将无法探测到目标，因而无法进行后续的目标速度计算及相位补偿处理。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于阵元相位差的时分MIMO雷达的运动补偿方法，以在最大化利用阵列孔径的情况下，完成对运动目标角度的准确测量，并避免速度估计的准确性对角度估计准确性的影响。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：(1)设时分MIMO雷达有M个发射阵元和N个接收阵元，形成MN个等效虚拟接收阵元，且相邻的发射天线间距Dt与相邻的接收天线间距dr满足关系式：Dt＝N·dr；(2)设M个发射阵元按空间顺序依次发射信号，在每个发射阵元工作时间内，N个接收阵元同时接收信号，在一个发射周期内分离出MN路接收数据，重复L个周期，分离出L组MN路接收数据；(3)对L组MN路接收数据依次进行去调频、距离维FFT、多普勒维FFT、非相干积累、恒虚警检测、质心凝聚处理，检测出K个目标，对每一个检测目标构建检测单元向量Sp：Sp＝[S11(vp,rp),S12(vp,rp),...S1N(vp,rp),S21(vp,rp),S22(vp,rp),...S2N(vp,rp),...,SM1(vp,rp),SM2(vp,rp),...SMN(vp,rp)]其中，检测单元向量Sp分量的行标从1变化到M，列标从1变化到N，p的取值范围为1≤p≤K，K为大于0的整数，vp为被检测目标多普勒维的索引号，rp为被检测目标距离维的索引号；(4)利用相邻接收阵元的相位差求构建相位补偿矩阵：(4a)利用检测单元向量Sp计算MN个虚拟接收阵元相邻阵元间的相位差：其中：表示的是第i个虚拟接收阵元和第i+1个虚拟接收阵元的相位差，i＝1，2,…,MN-1，Si表示的是检测单元向量的第i个分量，“*”表示的是求共轭，angle[]表示的是求相位；(4b)根据相位差计算相邻阵元的固有空间相位差的平均值(4c)计算运动目标在第j+1个虚拟接收阵元上的引起的相位项(4d)计算目标运动引起的耦合到虚拟接收阵元上的相位校正项(4e)根据相位校正项构建相位补偿向量φc：其中，相位补偿向量φc一共包含MN个分量，这些分量又包括M组值，每组值又具有N项；(5)用构建的运动补偿向量对检测单元向量进行相位校正，得到相位校正后的检测单元向量：(6)对校正后的检测单元向量Spc进行数字波束形成DBF处理，得到一个被检测目标的准确角度；(7)重复步骤(4)到步骤(6)，得到K个被检测目标的准确角度。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：第一，由于本专利技术是直接利用相邻阵元间的相位差来估计目标运动引起的相位补偿项，在阵列设计时不需要形成冗余的虚拟阵元，最大化的利用了阵列的孔径，在保证准确估计目标角度的同时，提高了角度分辨率。第二，由于本专利技术是直接利用相邻阵元间的相位差来估计目标运动引起的相位补偿项，在估计目标角度时不需要知道目标的准确速度，避免了现有技术中，速度估计准确性对角度估计准确性的影响。附图说明图1是本专利技术的实现流程图。图2是本专利技术时分MIMO雷达阵元排布示意图。图3是本专利技术时分MIMO雷达收发天线的时序图。图4是采用本专利技术前后对多个目标进行角度估计的仿真对比图。图5是用本专利技术对多个目标进行角度估计的均方根误差随信噪比变化曲线图。具体实施方式：下面结合附图对本专利技术的具体实施过程和效果作进一步的说明。参照图1，对本专利技术的实施步骤如下。步骤1，构造时分MIMO雷达的收发阵列。参照图2，设时分MIMO雷达包含M个发射阵元，N个接收阵元，发射天线采用均匀稀布方式布阵，接收天线采用均匀密布方式布阵，且相邻的发射天线之间的间距Dt与相邻的接收天线之间的间距dr满足关系式Dt＝N·dr，使时分MIMO雷达形成包含MN个等效虚拟阵元的均匀线阵，该虚拟阵元的位置其中Rt＝{0,Dt,...,(M-1)·Dt}是发射阵元的位置，Rr＝{0,dr,...,(N-1)·dr}是接收阵元的位置，表示的是克罗内克积。步骤2，确定时分MIMO雷达收发天线的时序。参照图3，设时分MIMO雷达中M个发射阵元按空本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于阵元相位差的时分MIMO雷达运动补偿方法，其特征在于，包括如下：(1)设时分MIMO雷达有M个发射阵元和N个接收阵元，形成MN个等效虚拟接收阵元，且相邻的发射天线间距Dt与相邻的接收天线间距dr满足关系式：Dt＝N·dr；(2)设M个发射阵元按空间顺序依次发射信号，在每个发射阵元工作时间内，N个接收阵元同时接收信号，在一个发射周期内分离出MN路接收数据，重复L个周期，分离出L组MN路接收数据；(3)对L组MN路接收数据依次进行去调频、距离维FFT、多普勒维FFT、非相干积累、恒虚警检测、质心凝聚处理，检测出K个目标，对每一个检测目标构建检测单元向量Sp：Sp＝[S11(vp,rp),S12(vp,rp),...S1N(vp,rp),S21(vp,rp),S22(vp,rp),...S2N(vp,rp),...,SM1(vp,rp),SM2(vp,rp),...SMN(vp,rp)]其中，检测单元向量Sp分量的行标从1变化到M，列标从1变化到N，p的取值范围为1≤p≤K，K为大于0的整数，vp为被检测目标多普勒维的索引号，rp为被检测目标距离维的索引号；(4)利用相邻接收阵元的相位差构建相位补偿矢量：(4a)利用检测单元向量Sp计算MN个虚拟接收阵元相邻阵元间的相位差：...

【技术特征摘要】
1.一种基于阵元相位差的时分MIMO雷达运动补偿方法，其特征在于，包括如下：(1)设时分MIMO雷达有M个发射阵元和N个接收阵元，形成MN个等效虚拟接收阵元，且相邻的发射天线间距Dt与相邻的接收天线间距dr满足关系式：Dt＝N·dr；(2)设M个发射阵元按空间顺序依次发射信号，在每个发射阵元工作时间内，N个接收阵元同时接收信号，在一个发射周期内分离出MN路接收数据，重复L个周期，分离出L组MN路接收数据；(3)对L组MN路接收数据依次进行去调频、距离维FFT、多普勒维FFT、非相干积累、恒虚警检测、质心凝聚处理，检测出K个目标，对每一个检测目标构建检测单元向量Sp：Sp＝[S11(vp,rp),S12(vp,rp),...S1N(vp,rp),S21(vp,rp),S22(vp,rp),...S2N(vp,rp),...,SM1(vp,rp),SM2(vp,rp),...SMN(vp,rp)]其中，检测单元向量Sp分量的行标从1变化到M，列标从1变化到N，p的取值范围为1≤p≤K，K为大于0的整数，vp为被检测目标多普勒维的索引号，rp为被检测目标距离维的索引号；(4)利用相邻接收阵元的相位差构建相位补偿矢量：(4a)利用检测单元向量Sp计算MN个虚拟接收阵元相邻阵元间的相位差：其中：表示的是第i个虚拟接收阵元和第i+1个虚拟接收阵元的相位差，i＝1，2,…,MN-1，Si表示的是检测单元向量的第i个分量，“*”表示的是求共轭，angle[]表示的是求相位；(4b)根据相位差计算相邻阵元的固有空间相位差的平均值(4c)计算运动目标在第j+1个虚拟接收阵元上的引起的相位项(4d)计算目标运动引起的耦合到虚拟接收阵元上的相位校正项(4e)根据相位校正项构建相位补偿向量φc：其中，相位补偿向量φc一共包含MN个分量，这些分量又包括M组值，每组值又具有N项；(5)用构建的运动补偿向量对检测单元向量进行相位校正，得到相位校正后的检测单元向量：(6)对校正后的检测单元向量Spc进行数字波束形成DBF处理，得到一个被检测目标的准确角度；(7)重复步骤(4)到步骤(6)，得到K个被检测目标的准确角度。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：(1)中形成的MN个虚拟接收阵元，其位置Rt...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨明磊，胡成丰，陈思思，邓军，
申请(专利权)人：西安中电科西电科大雷达技术协同创新研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61