一种MIMO雷达高精度速度方位联合测量方法技术

本发明专利技术公开了一种MIMO雷达高精度速度方位联合测量方法，包括：一、MIMO雷达系统回波信号建模；二、所有周期全通道一维距离像获取，三、各周期一维距离像增强；四、基于CFAR的距离向目标检测；五、目标中心所在距离单元检测；六、目标中心所在距离单元直线检测；七、目标径向运动速度粗估计；八、所有周期全通道相位补偿；九、所有目标所在距离单元信号获取；十、目标速度与方位联合精确估计；十一、目标径向运动速度最终结果。本发通过一维距离像中目标所在距离单元的变化检测获取目标的距离，并估计径向运动粗速度，最终获得目标的高精度速度估计结果；对于MIMO阵列，充分利用空间重叠虚拟阵元回波信号所包含的目标空时特征，提升了运动目标联合测速测角的精度。动目标联合测速测角的精度。动目标联合测速测角的精度。

【技术实现步骤摘要】
一种MIMO雷达高精度速度方位联合测量方法


[0001]本专利技术属于毫米波雷达信号处理
，具体涉及一种MIMO雷达高精度速度方位联合测量方法。

技术介绍

[0002]近年来，毫米波雷达技术发展迅速，在智慧城市、智能交通、环境监测等方面发挥着重要作用。毫米波雷达工作频率高，波长短，天线尺寸小，具有带宽大、距离分辨率高、不受光照条件限制、避免隐私暴露、雷达系统集成度高、应用便捷等明显优势。
[0003]现有方法中，针对静态目标或低速运动目标，在满足较高速度分辨率的一定观测时间内，不存在目标跨径向距离单元徙动，基于MIMO雷达的信号处理可通过目标所在的相同的距离单元信号的处理实现角度和速度估计，具体地，可以采用常用的傅里叶变换方法、以及具有超分辨性能的MUSIC等谱估计方法来实现。
[0004]但是对于动态目标，特别是对于道路上速度较大的车辆目标，在较短的观测时间，具有距离高分辨的观测结果中，目标所在距离单元将随时间变化。对于MIMO雷达而言，该变化不仅存在于不同的测速积累周期，而且在MIMO雷达所有发射天线依次发射信号进行测量的短时间内，同样会产生距离单元的变化。这增加了从观测数据中获得目标较高精度参数信息的难度。
[0005]为了实现方位上的高分辨，毫米波雷达系统通常通过MIMO设计来扩展方位向上的通道数量，从而用于实现测距、测速、测角[1][2]。对于毫米波雷达应用于运动目标测量场景中，通常存在最大不模糊速度较小，速度测量不精确，测量中速度、角度和距离相互耦合等问题，从而制约着MIMO毫米波雷达系统应用范围的扩展。受到MIMO阵列天线工作方式和信号处理方法的制约，现有方法中，运动目标速度测量通常需要通过解模糊的方法[3][4]来实现，而且由于观测中运动目标回波信号中，存在距离、速度和角度的耦合，从而导致目标距离、速度、角度等参数的测量准确性受限。
[0006]本专利技术通过对MIMO雷达系统回波信号建模，提出了基于MIMO阵列各通道时间特性和空间特性联合的目标方位和速度同时估计方法，突破了MIMO雷达常规处理中最大不模糊速度的限制，同时采用超分辨方法提高测角精度。因此，该方法具有最大不模糊速度大、测量精度高的优点。
[0007]参考文献
[0008][1]马玉芳.基于平行因子的双基圆阵MIMO雷达定位与测速方法研究.西安电子科技大学硕士学位论文,2015年12月.
[0009][2]葛优,刘景萍,赵惠昌,陈思,刘定烨.基于正交相位编码信号的MIMO雷达测速测距算法.探测与控制学报,2016,38(6),pp:80
‑
83.
[0010][3]冉艳伟,金胜,梁小虎,等.一种双基地MIMO雷达高速目标跨距离门测速定位方法,中国专利技术专利,专利号ZL201610709772.1,申请日2016.08.23，授权公告日2019.03.29.
[0011][4]黄钰林,张寅,诸沛曦,等.一种MIMO雷达多目标测速扩展方法,中国专利技术专利,
申请号202111507596.0,申请日2021.12.10，申请公布日2022.3.18.

技术实现思路

[0012]本专利技术所要解决的技术问题为：本专利技术基于稀疏MIMO雷达系目标回波信号的空间、时间、频率特征，设计了一种利用MIMO雷达系统，包含空间重叠虚拟天线阵元在内的所有虚拟天线单元，将所有通道的时间、空间、频率等信号特征综合，实现MIMO雷达在目标距离、速度、角度方面的联合高精度测量。
[0013]本专利技术所提出的MIMO雷达高精度速度方位联合测量方法方法，同现有技术相比，在提高目标速度方位联合测量精度方面具有极为显著的技术优势，主要包括：(1)通过目标径向运动粗速度估计，避免了常规方法中的解模糊可能引起的失配问题，该方法通过原始所有通道一维距离像增强，经目标检测、目标中心所在距离单元判别、直线检测，获得目标径向徙动距离单元变化量，结合雷达观测时间，计算得到目标径向运动速度粗估计。(2)可以实现目标径向运动速度和方位联合精确估计，充分利用了包含空间重叠虚拟阵元回波信号所包含的目标空时特征，提升了运动目标联合测速测角的精度。
[0014]本专利技术采用的技术方案为：
[0015]步骤一、MIMO雷达系统回波信号建模
[0016]根据MIMO雷达系统天线结构和各发射天线分时发射信号，各接收天线同时接收目标回波信号的工作方式，采用基于调频连续波FMCW发射波形的MIMO雷达系统模型，建立MIMO雷达系统的空时观测回波信号模型。具体方法如下所述：
[0017]发射天线Tx依次发射线性调频信号，所有接收天线Rx同时用于接收目标回波信号。
[0018]假设某观测场景中的一目标位于偏离雷达正前方的角度为θ的方向上，初始距离为R0，目标相对于雷达的径向速度为v。位于和发射天线和分时发射信号，位于和的接收天线和同时接收来自于目标的回波信号。
[0019]对于幅度为A
t
，起始频率为f0，调频斜率为γ的线性调频连续波雷达发射信号st(t)随时间t变化关系，可以表示为
[0020][0021]其中，虚数单位则对于到雷达的距离为R的目标，回波信号s
r
(t)为
[0022][0023]其中，A
r
为回波幅度，τ＝2(R0‑
vt)/c为信号延迟时间，c为光速。
[0024]回波信号和发射信号混频后得到中频输出信号。对于MIMO雷达，将目标回波方向、各通道的波程差，以及目标运动速度考虑在内，假定各目标中频回波信号幅度为1，则中频信号可以表示为
[0025][0026]其中，x
m
和x
n
分别为发射天线和接收天线的位置，以电磁波波长λ为参考，表示第m个发射天线相对于参考发射天线的位移量是半波长的倍，N
Tx
为发射天线个数，表示第n个接收天线相对于参考接收天线的位移量是半波长的倍，t
p
为观测时第p帧的起始时间，t
p
＝(p
‑
1)
·
T(p＝1,2,
…
,N
Loop
)，T＝T
LFM
·
N
Tx
为每一观测周期的时长，t
m
为每一帧内位于x
m
的发射天线相对于帧起始时刻t
p
的信号发射起始时间，t
m
＝m
·
T
LFM
(m＝1,2,
…
,N
Tx
‑
1)，T
LFM
为线性调频信号周期，则为位于x
n
的接收天线接收信号的快时间。考虑到目标的径向运动，假设单个线性调频周期内目标运动忽略不计，则(3)中的回波延迟τ
mnp
可以表示为
[0027][0028]其中，x
m0...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MIMO雷达高精度速度方位联合测量方法，其特征在于：具体步骤如下：步骤一、MIMO雷达系统回波信号建模：根据MIMO雷达系统天线结构和各发射天线分时发射信号，各接收天线同时接收目标回波信号的工作方式，采用基于调频连续波FMCW发射波形的MIMO雷达系统模型，建立MIMO雷达系统的空时观测回波信号模型；步骤二、所有周期全通道一维距离像获取：将所有发射天线多次发射信号获得的所有通道回波信号进行脉冲压缩，获取一维距离像Υ(x
m
,x
n
,t
p
,t
m
,i)，其中，i表示第i个距离单元；步骤三、各周期一维距离像增强：将所有发射天线发射一次信号所有接收通道获得的一维距离像按距离单元进行幅度求和叠加，获取增强一维距离像步骤四、基于CFAR的距离向目标检测：对获得的所有增强一维距离像沿距离向采用恒虚警率检测方法进行目标检测，标记出目标所占据的距离单元I(t
p
,i)；步骤五、目标中心所在距离单元检测：将目标检测结果I(t
p
,i)与增强一维距离像结合，获取目标检测结果中的增强一维距离像峰值距离单元步骤六、目标中心所在距离单元直线检测：针对获得的增强一维距离像基于霍夫变换的增强一维距离像目标距离单元直线检测，对于检测到的第个目标，距离单元所在直线表示为观测周期序号p和距离单元序号i的函数；步骤七、目标径向运动速度粗估计：根据获取的每个目标对应的距离单元变化轨迹所在直线的旋转角度获得每个目标的速度粗估计值步骤八、所有周期全通道相位补偿：根据获得的各目标速度粗估计值按照观测时刻(t
p
,t
m
)对各目标所有通道回波进行频率修正，实现距离对准；步骤九、所有目标所在距离单元信号的获取：从相位对准后的回波信号获得目标所在的第个距离单元上的复数信号步骤十、目标速度与方位联合精确估计：采用谱估计的方法获得目标的速度精估计与高分辨角度估计结果；步骤十一、目标径向运动速度最终结果：将各目标的速度粗估计结果与速度精估计结果相加获得目标实际径向速度的精确估计结果。
2.根据权利要求1所述的一种MIMO雷达高精度速度方位联合测量方法，其特征在于：在步骤一中，具体方法如下：发射天线Tx依次发射线性调频信号，所有接收天线Rx同时用于接收目标回波信号；设某观测场景中的一目标位于偏离雷达正前方的角度为θ的方向上，初始距离为R0，目标相对于雷达的径向速度为v；位于和发射天线和分时发射信号，位于和的接收天线和同时接收来自于目标的回波信号；对于幅度为A
t
，起始频率为f0，调频斜率为γ的线性调频连续波雷达发射信号s
t
(t)随时间t变化关系，表示为其中，虚数单位则对于到雷达的距离为R的目标，回波信号s
r
(t)为其中，A
r
为回波幅度，τ＝2(R0‑
vt)/c为信号延迟时间，c为光速；回波信号和发射信号混频后得到中频输出信号；对于MIMO雷达，将目标回波方向、各通道的波程差，以及目标运动速度考虑在内，设各目标中频回波信号幅度为1，则中频信号表示为其中，x
m
和x
n
分别为发射天线和接收天线的位置，以电磁波波长λ为参考，表示第m个发射天线相对于参考发射天线的位移量是半波长的倍，N
Tx
为发射天线个数，表示第n个接收天线相对于参考接收天线的位移量是半波长的倍，t
p
为观测时第p帧的起始时间，t
p
＝(p
‑
1)
·
T(p＝1,2,
…
,N
Loop
)，T＝T
LFM
·
N
Tx
为每一观测周期的时长，t
m
为每一帧内位于x
m
的发射天线相对于帧起始时刻t
p
的信号发射起始时间，t
m
＝m
·
T
LFM
(m＝1,2,
…
,N
Tx
‑
1)，T
LFM
为线性调频信号周期，则为位于x
n
的接收天线接收信号的快时间；考虑到目标的径向运动，设单个线性调频周期内目标运动忽略不计，则式(3)中的回波延迟τ
mnp
表示为其中，x
m0
和x
n0
分别为计算各通道波程差时的发射天线和接收天线的参考位置，R0为目标初始距离；将式(3)的相位表示为同时，将式(5)中不随快时间变化的相位记为同时，将式(5)中不随快时间变化的相位记为从而有
由式(5)得到中频回波信号的频率f
IF
(x
m
,x
n
,t
p
,t
m
)为将式(4)代入到式(8)得到以观测初始时刻MIMO参考通道的目标回波中频频率f
IF,ini,ref
中频信号的频率差Δf
IF
(x
m<...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈鹏辉，袁常顺，王俊，魏少明，
申请(专利权)人：北京航空航天大学杭州创新研究院，
类型：发明
国别省市：