毫米波雷达频域波束多参数快速联合超分辨估计方法技术

本发明专利技术涉及安防用毫米波雷达信号处理技术领域，具体的说涉及一种毫米波雷达频域波束多参数快速联合超分辨估计方法，包括：获取安防毫米波雷达混频差拍信号；通过快速傅里叶变换将空时多参数域联合数据变换到频域；选取频域数据实现数据降维；构建协方差矩阵，进行特征值分解；根据信源数得到信号子空间或噪声子空间，得到目标参数信息，本发明专利技术利用频域波束空间降维实现了安防毫米波雷达的多维参数快速联合估计，解决了传统多维联合超分辨算法高计算复杂度的问题，为安防毫米波雷达的多维参数联合超分辨的工程化实现提供了技术支持。数联合超分辨的工程化实现提供了技术支持。

【技术实现步骤摘要】
毫米波雷达频域波束多参数快速联合超分辨估计方法


[0001]本专利技术涉及安防用毫米波雷达信号处理
，具体的说涉及一种毫米波雷达频域波束多参数快速联合超分辨估计方法。

技术介绍

[0002]在安防毫米波雷达的目标参数估计算法中，传统的快速傅里叶变换算法能够快速地实现目标的多维参数估计，但栅栏效应及频谱泄露问题的存在，目标信息的估计精度低且分辨率不足，稳定性较差。尤其是在角度估计方面，受限于天线个数影响，在多目标场景中分辨率极低。针对传统FFT算法瓶颈，为提升目标参数估计的精度及分辨率，超分辨算法逐渐应用至安防毫米波雷达的目标参数估计。以多重信号分类算法及旋转不变子空间算法等为代表的超分辨算法虽然具备目标信息估计精度及分辨力的提升，但庞大的数据运算量严重影响工程化应用进程。同样，空时多参数联合超分辨算法的高效化低复杂度是目前亟待解决的问题，也是工程化无法绕开的问题。
[0003]同时，在安防毫米波雷达的多目标场景应用，参数估计通常包括阵元域对应的角度测量、快时域和慢时域对应的距离和速度测量，而原始采样的多参数空时联合数据非常庞大，原始数据的存储、计算都是工程实现的难题。工程操作中一般根据目标信息或者数据预处理结果，确定感兴趣的参数区域，再进行超分辨。因此研究一种频域波束多参数快速联合超分辨估计算法具有非常重要的研究意义。

技术实现思路
：
[0004]针对传统超分辨算法计算复杂度较高的问题，本专利技术提出一种波束域数据维度极大降低，使得联合超分辨工程实现成为可能、进而可以实现对安防毫米波雷达多参数的快速联合估计的毫米波雷达频域波束多参数快速联合超分辨估计方法。
[0005]本专利技术通过以下措施达到：
[0006]一种毫米波雷达频域波束多参数快速联合超分辨估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007]步骤一：获取安防毫米波雷达混频差拍信号，具体为：
[0008]步骤1
‑
1：建立锯齿波发射信号模型s(t)：
[0009][0010]其中，A
mpTs
表示发射信号对应幅度；f
c
为信号载频；μ＝B/T
m
表示调频斜率，T
m
为信号重复周期，B为信号带宽；
[0011]步骤1
‑
2：接收端获取接收信号r(t)，
[0012][0013]其中，A
mpRs
为接收信号对应幅度，τ＝2R(t)/c为接收信号到达环形器与发射信号之间存在的时延，当目标存在速度时R(t)＝R0+vt，R0为静止时的初始距离；
[0014]步骤1
‑
3：混频器中本振信号与接收信号进行混频得到混频差拍信号，忽略其高次并对其进行重复周期扩展后，混频差拍信号S
IF
(t)为
[0015][0016]其中m＝0,1....,M
‑
1代表重复周期序号；
[0017]步骤1
‑
4：采用TDM
‑
MIMO雷达扩展虚拟孔径，设定TDM
‑
MIMO雷达的发射天线个数为L
TX
，接收天线阵元个数为L
RX
，设接收天线阵元间距为d
r
＝λ/2，发射天线阵元间距为d
t
，且满足d
t
＝L
RX
×
d
r
，假设某一任意接收天线l
RX
与接收天线阵列中的第一个接收天线之间的间距为d
rlRX
＝(l
RX
‑
1)d
r
，则产生虚拟阵元数为L＝L
TX
×
L
RX
的阵列，其雷达系统结构可与阵列孔径为(L
TX
L
RX
‑
1)
×
λ/2的虚拟均匀阵列等效，针对步骤1
‑
3所述混频差拍信号模型，获取TDM
‑
MIMO LFMCW雷达锯齿波差拍离散信号模型X(n,l,m)为
[0018][0019]其中l
tx
＝1,2,
…
L
TX
、l
rx
＝1,2,
…
L
RX
分别为发射、接收天线个数，l＝0,1....,L
‑
1代表虚拟阵列接收天线阵元序号，n为单个调频连续波周期内的采样序号，f
s
为采样频率，G为加性高斯白噪声；
[0020]步骤二：通过快速傅里叶变换将空时多参数域联合数据变换到频域；
[0021]步骤三：选取频域数据实现数据降维；
[0022]步骤四：构建协方差矩阵，进行特征值分解；
[0023]步骤五：根据信源数得到信号子空间或噪声子空间，得到目标参数信息。
[0024]本专利技术所述步骤二具体包括：
[0025]步骤2
‑
1：将TDM
‑
MIMO LFMCW雷达锯齿波差拍离散信号进行整理得到N
×
L
×
M维的三维数据X
3dim
，将X
3dim
的每一个N
×
L平面数据称之为一帧数据，则X
3dim
共有M帧数据；
[0026]步骤2
‑
2：已知一维离散傅里叶变换公式为
[0027][0028]二维傅里叶变换公式为
[0029][0030]X
3dim
的三维傅里叶变换，通过一维傅里叶变换与二维傅里叶变换相结合的模式进行操作，实现空时多参数域联合数据向频域的变换：首先对M帧距离
‑
角度数据平面进行二维傅里叶变换，完成距离
‑
角度维数据的频域变换，继而可将二维傅里叶变换后的每个帧的数据向量化，得到了(N
×
L)
×
M的二维数据，再对该二维数据进行(N
×
L)次的M点傅里叶变换，则实现速度维傅里叶变换；经过M次(N
×
L)二维傅里叶变换及(N
×
L)次M点的一维傅里叶变换得到转换后的频域数据Y
NL
×
M
为
[0031][0032]其中，表示Kronecker乘。
[0033]本专利技术所述步骤三具体包括：
[0034]步骤3
‑
1：为了降低数据计算量，对频域数据进行选取：将频域数据Y
NL
×
M
做向量化处理则有
[0035][0036]上式左侧为三维数据傅里叶变换后的向量化，右侧为原始数据三维波束空间变换表达式，则可说明直接选取三维频域数据和三维波束空间降维是等效的；步骤3
‑
2：直接选取三本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种毫米波雷达频域波束多参数快速联合超分辨估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：获取安防毫米波雷达混频差拍信号，具体为：步骤1
‑
1：建立锯齿波发射信号模型s(t)：其中，A
mpTs
表示发射信号对应幅度；f
c
为信号载频；μ＝B/T
m
表示调频斜率，T
m
为信号重复周期，B为信号带宽；步骤1
‑
2：接收端获取接收信号r(t)，其中，A
mpRs
为接收信号对应幅度，τ＝2R(t)/c为接收信号到达环形器与发射信号之间存在的时延，当目标存在速度时R(t)＝R0+vt，R0为静止时的初始距离；步骤1
‑
3：混频器中本振信号与接收信号进行混频得到混频差拍信号，忽略其高次并对其进行重复周期扩展后，混频差拍信号S
IF
(t)为其中m＝0,1....,M
‑
1代表重复周期序号；步骤1
‑
4：采用TDM
‑
MIMO雷达扩展虚拟孔径，设定TDM
‑
MIMO雷达的发射天线个数为L
TX
，接收天线阵元个数为L
RX
，设接收天线阵元间距为d
r
＝λ/2，发射天线阵元间距为d
t
，且满足d
t
＝L
RX
×
d
r
，假设某一任意接收天线l
RX
与接收天线阵列中的第一个接收天线之间的间距为d
rlRX
＝(l
RX
‑
1)d
r
，则产生虚拟阵元数为L＝L
TX
×
L
RX
的阵列，其雷达系统结构可与阵列孔径为(L
TX
L
RX
‑
1)
×
λ/2的虚拟均匀阵列等效，针对步骤1
‑
3所述混频差拍信号模型，获取TDM
‑
MIMO LFMCW雷达锯齿波差拍离散信号模型X(n,l,m)为其中l
tx
＝1,2,
…
L
TX
、l
rx
＝1,2,
…
L
RX
分别为发射、接收天线个数，l＝0,1....,L
‑
1代表虚拟阵列接收天线阵元序号，n为单个调频连续波周期内的采样序号，f
s
为采样频率，G为加性高斯白噪声；步骤二：通过快速傅里叶变换将空时多参数域联合数据变换到频域；步骤三：选取频域数据实现数据降维；步骤四：构建协方差矩阵，进行特征值分解；步骤五：根据信源数得到信号子空间或噪声子空间，得到目标参数信息。2.根据权利要求1所述的一种毫米波雷达频域波束多参数快速联合超分辨估计方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：步骤2
‑
1：将TDM
‑
MIMO LFMCW雷达锯齿波差拍离散信号进行整理得到N
×
L
×
M维的三维数据X
3dim
，将X
3dim
的每一个N
×
L平面数据称之为一帧数据，则X
3dim
共有M帧数据；
步骤2
‑
2：已知一维离散傅里叶变换公式为二维傅里叶变换公式为X
3dim
的三维傅里叶变换，通过一维傅里叶变换与二维傅里叶变换相结合的模式进行操作，实现空时多参数域联合数据向频域的变换：首先对M帧距离
‑
角度数据平面进行二维傅里叶变换，完...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫锋刚，曹丙霞，刘润虎，赵伟程，李迎春，金铭，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，
类型：发明
国别省市：