CN114200411A - 一种mimo雷达多目标测速扩展方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MIMO雷达多目标测速扩展方法，包括以下步骤：步骤一、建立MIMO雷达系统模型；步骤二、结合锯齿波和三角波特性设计FMCW波形，并发射FMCW波；步骤三、对锯齿波回波信号进行2D‑FFT处理，得到不同目标在三角波距离维频谱的搜索中心；步骤四、在三角波回波中寻找动目标的谱峰进行配对后解速度模糊；步骤五、进行动目标DOA估计。本发明结合传统对称三角波和经典多周期锯齿波的二者特性，设计出能更精确提取目标信息的FMCW波形，简化了计算，得到了不错的MIMO雷达角分辨率。在保证目标DOA估计精度的条件下，提高了测速上限，实现多目标测速扩展。相比于经典三角波或多周期锯齿波方法，对于MIMO雷达在动目标测速、定位方面能达到更好的性能。

Description

一种MIMO雷达多目标测速扩展方法

技术领域

本发明属于毫米波雷达信号处理技术领域，特别涉及一种MIMO雷达多目标测速扩展方法。

背景技术

毫米波雷达因为其带宽大、尺寸小、成本低等优点被越来越多地应用于交通安全系统中，为提高角分辨率毫米波雷达广泛使用了多输入多输出(MIMO)技术。测速范围和角分辨率是MIMO雷达的关键指标。由于硬件性能上的限制，MIMO雷达的非模糊速度往往很低。

为了实现MIMO雷达解速度模糊，在文献“Zhang,Rong-quan,et al."Analysis ofambiguity function of symmetrical triangular linear frequency modulationcontinuous wave signal."Acta Electronica Sinica 32.3(2004):353-356.”中，提出了一种发射对称三角波测速方法，在上下扫频回波中对运动目标配对，解距离速度耦合。该方法为了提高配对精度，通常调频信号发射时间比较长，并且一组信号包含上、下扫频2个斜坡，雷达的PRF很低，难以通过2D-FFT寻找目标，即检测目标数量受限；在文献“Wojtkiewicz,Andrzej,et al."Two-dimensional signal processing in FMCWradars."Proc.XX KKTOiUE(1997):475-480.”中，提出了一种发射参差斜坡调频信号测速方法，并通过中国剩余定理求解速度模糊。该方法由于发射了不同斜率或不同脉冲重复频率的调频信号，若要利用这种发射信号的回波进行波束形成并测量目标角度，需要对接收天线回波进行复杂的相位补偿，不便于工程实践。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，设计了一种结合传统对称三角波和经典多周期锯齿波的二者特性的FMCW波形，在保证目标DOA估计精度的条件下，对于MIMO雷达在动目标测速、定位方面能达到更好的性能。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种MIMO雷达多目标测速扩展方法，包括以下步骤：

步骤一、建立MIMO雷达系统模型：采用基于FMCW发射波形的MIMO雷达系统模型，包括发射天线、接收天线、功率放大器、功分器和混频器组成的射频前端，FMCW波形发生器、滤波放大电路、A/D采样电路和信号处理模块组成的后端处理部分；FMCW波形发生器产生的FMCW波形信号通过功分器分成两路信号，一路信号经功率放大器放大后从发射天线辐射出去，另一路信号作为本振与接收天线接收到的回波信号在混频器进行混频得到差拍信号，差拍信号依次通过滤波放大电路和A/D采样电路后进入信号处理模块，通过信号处理模块提取出目标的距离和速度信息；

步骤二、结合锯齿波和三角波特性设计FMCW波形，并发射FMCW波形；

步骤三、对锯齿波回波信号进行2D-FFT处理，得到不同目标在三角波距离维频谱的搜索中心；

步骤四、在三角波回波中寻找动目标的谱峰进行配对后解速度模糊；

步骤五、进行动目标DOA估计。

进一步地，所述步骤二具体实现方法为：FMCW波形为两组相同的三角波，两组三角波之后的波形为锯齿波；MIMO雷达系统的参数分别为：

式中，Range_max为雷达最大测量距离，f_s是雷达发射信号采样率，μ为雷达调频斜率，c为光速；v_t_acc是三角波每单位频点对应的速度，f_s1为三角波采样率，N_ADC1是三角波采样点数；N_FFT是多普勒维FFT点数，f₀是载波起始频率，PRF为脉冲重复频率，v_s_acc是锯齿波2D-FFT图的多普勒维度每单位频点对应速度；

设计该FMCW波形的原则为：在保证三角波和锯齿波最大测量距离不变的情况下，尽可能大地增加锯齿波PRF以满足：

其中，

进一步地，所述步骤三具体实现方法为：在对锯齿波的回波进行2D-FFT处理后，从2D-FFT图中获得目标的大概距离和多个可能的模糊速度，模糊速度用v_s表示，并由大概距离和多个可能的模糊速度确定目标在三角波距离维频谱中的大概位置；在已知搜索中心点对应的距离维频点序号Range_index后，根据式(5)，计算得到不同目标在三角波距离维频谱的搜索中心：

其中Range_{index_up}和Range_{index_down}分别为上、下扫频回波的距离维搜索窗中心点，N_ADC2是锯齿波采样点数。

进一步地，所述步骤四具体实现方法为：在三角波的上、下扫频回波的距离维搜索窗中找到动目标，并对动目标的谱峰进行配对，得到解耦合速度v_t，v_t表示三角波搜索窗中对应的动目标速度；从所有可能的模糊速度v_s中选择与v_t相差最小的值作为测量速度v_est。

进一步地，所述步骤五具体实现方法为：按照下式对不同发射天线收到的回波进行相位补偿并进行DOA估计：

0≤m≤N_Tx-1,1≤n≤N_Rx (9)

其中X(m,n)是序号为n的接收天线收到序号为m+1的发射天线产生的回波，X_c(m,n)是相位补偿后的结果，v_r为目标实际速度，N_Tx和N_Rx分别为发射天线阵元和接收天线阵元的个数。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种MIMO雷达多目标测速扩展方法。结合传统对称三角波和经典多周期锯齿波的二者特性，设计出能更精确提取目标信息的FMCW波形，简化了计算，得到了不错的MIMO雷达角分辨率。在保证目标DOA估计精度的条件下，提高了测速上限，实现多目标测速扩展。相比于经典三角波或多周期锯齿波方法，对于MIMO雷达在动目标测速、定位方面能达到更好的性能，具有良好的工程应用价值。

附图说明

图1为本发明的MIMO雷达多目标测速扩展方法的流程图；

图2为本发明MIMO雷达系统模型的工作机制示意图；

图3为本实施例发射天线单元和接收天线单元示意图；

图4为传统FMCW对称三角波波形；

图5为经典多周期锯锯齿波形；

图6为本发明设计的FMCW波形图；

图7为本实施例设计的仿真FMCW波形；

图8为仿真时动目标的2D-FFT图像及CFAR检测结果；

图9为在三角波上、下扫频回波距离维中搜索目标谱峰点示意图；

图10为动目标DOA估计结果示意图；

图11为本实施例所有动目标检测结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明的一种MIMO雷达多目标测速扩展方法，包括以下步骤：

步骤一、建立MIMO雷达系统模型：采用基于FMCW发射波形的MIMO雷达系统模型，整个工作机制如图2所示，包括发射天线、接收天线、功率放大器、功分器和混频器组成的射频前端，FMCW波形发生器、滤波放大电路、A/D采样电路和信号处理模块组成的后端处理部分；FMCW波形发生器产生的FMCW波形信号通过功分器分成两路信号，一路信号经功率放大器放大后从发射天线辐射出去，另一路信号作为本振与接收天线接收到的回波信号在混频器进行混频得到差拍信号，差拍信号的频率和目标的距离、速度有关，差拍信号依次通过滤波放大电路和A/D采样电路后进入信号处理模块，通过信号处理模块提取出目标的距离和速度信息；为方便分析和描述，本实施例中以2个发射天线单元和4个接收天线单元为例进行研究，MIMO雷达天线模型如图3所示。假设天线阵列均为均匀线阵，由2个发射天线阵元Tx1、Tx2和4个接收天线阵元Rx1,Rx2,Rx3,Rx4共同构成，其中发射天线阵元间距为2λ，接收天线阵元间距为λ/2，假设混频和采样过程由雷达硬件完成。

步骤二、结合锯齿波和三角波特性设计FMCW波形，并发射FMCW波形；

传统FMCW对称三角波波形如图4所示，其中f₀是载波起始频率，f₁是载波最高频率，f_r是回波时延为τ的目标引起的频移，运动目标多普勒频移为f_d。运动目标回波包含f_r和f_d的耦合如图中虚线所示，通过式(1)计算得到：

其中R为运动目标和雷达之间的距离，v是目标运动的速度，μ为雷达调频斜率，光速为c。

发射信号和接收回波之间的差频通常称为差拍，图中上、下扫频差拍分别为f₊和f_-，即

通过上扫频差拍f₊和下扫频差拍f_-的处理，可以反解运动目标距离信息和速度信息，即

经典多周期锯锯齿波形如图5所示，不同发射天线发射相同斜率的调频信号，可以通过对运动目标回波进行2D-FFT处理求解目标距离和速度。

不考虑模糊速度的前提下，经典锯齿波MIMO雷达能测量的速度v范围为：

-v_max＜v＜v_max (4)

PRF为脉冲重复频率，T_s为调频周期，由于雷达硬件上的限制，PRF存在上限，在目标运动速度过快时将会在多普勒维产生频谱重叠，这时测得的目标速度通常称为模糊速度。

结合三角波和锯齿波的特性，本发明设计了一种FMCW波形，如图6所示，FMCW波形为两组相同的三角波，两组三角波之后的波形为锯齿波；这样可以在时域上对上扫频和下扫频回波信号做一次对消，从而减少静止目标的影响。可以通过该FMCW波形的波形参数进行雷达定位、测速等功能。MIMO雷达系统的参数分别为：

式中，Range_max为雷达最大测量距离，f_s是雷达发射信号采样率；v_t_acc是三角波每单位频点对应的速度，f_s1为三角波采样率，N_ADC1是三角波采样点数；N_FFT是多普勒维FFT点数，f₀是载波起始频率，v_s_acc是锯齿波2D-FFT图的多普勒维度每单位频点对应速度；

设计该FMCW波形的原则为：在保证三角波和锯齿波最大测量距离不变的情况下，尽可能大地增加锯齿波PRF以满足：

本实施例设计的仿真FMCW波形如图7所示，FMCW波形的仿真参数如表1所示，在仿真场景中设置多个点目标，其中包括3个动目标、2个静目标，目标的信息参数如表2所示。

表1

参数	值	参数	值
				f<sub>0</sub>	77GHz	T<sub>1+</sub>,T<sub>1-</sub>	1024us
T<sub>i1</sub>	12us	T<sub>1</sub>	1036us
				μ<sub>1</sub>	2.993MHz/us	μ<sub>2</sub>	6.25MHz/us
N<sub>ADC1</sub>	3072	N<sub>ADC2</sub>	256
				T<sub>d</sub>	40.96us	T<sub>i2</sub>	9.04us
T<sub>2</sub>	50us	N<sub>chirps</sub>	128

表2

目标序号	x(m)	y(m)	speed(m/s)
				1	8	30	0
2	-12	60	-40
				3	8	70	0
4	0.1	70	15
				5	3.5	100	30

步骤三、对锯齿波回波信号进行2D-FFT处理，并得到不同目标在三角波距离维频谱的搜索中心；具体实现方法为：在对发射的锯齿波得到的回波信号进行2D-FFT处理后得到2D-FFT图，如图8(a)所示，图中，纵坐标Range Index为距离频点序号，横坐标DopplerIndex为多普勒频点序号。并在2D-FFT图中通过CFAR检测动目标的大概距离和多个可能的模糊速度，模糊速度用v_s表示，并由大概距离和多个可能的模糊速度确定目标在三角波距离维频谱中的大概位置，结果如图8(b)所示。

本实施例中检测到3个动目标，坐标序号分别为(34,172)、(48,121)、(59,106)，格式为(Doppler_index,Range_index)。以(34,172)的动目标为例，将该动目标在锯齿波2D-FFT图中的距离频点Range_index＝172代入式(11)，计算得到目标在三角波距离维频谱的搜索中心：

其中Range_{index_up}和Range_{index_down}分别为上、下扫频回波的距离维搜索窗中心点，N_ADC2是锯齿波采样点数。

步骤四、在三角波回波中寻找动目标的谱峰进行配对后解速度模糊；具体实现方法为：在式(11)中得到的三角波的三角波的上、下扫频回波的距离维搜索窗中找到动目标，并对动目标的谱峰进行配对，如图9所示，(a)为在上扫频回波中搜索，(b)为在下扫频回波中搜索，图中，Magnitude表示幅度，Range MTI up表示上扫频差拍对消后距离维频谱，Range MTI down表示下扫频差拍对消后距离维频谱。该目标在上、下扫频回波距离维搜索中心点为2067，1038。通过公式(3)可以得到解耦合速度v_t，v_t表示三角波搜索窗中对应的动目标速度。

由于配对存在误差等原因，三角波测得的速度往往不够精确。由于v_t_acc＞v_s_acc,锯齿波测速精度高于三角波，从所有可能的模糊速度v_s中选择与v_t相差最小的值作为测量速度v_est。

锯齿波2D-FFT图中可能的速度为

v_s＝-48.02；-28.57；-9.11；10.33；30.08；49.23(m/s) (13)

式(13)中，v_s＝30.08(m/s)最接近v_t，则测量速度v_est＝30.08(m/s)。

步骤五、进行动目标DOA估计，具体实现方法为：按照式(14)对不同发射天线收到的回波进行相位补偿并进行DOA估计，得到的结果如图10所示，图中，Angle表示方位角。如果测量到了精确的目标速度，发射天线间相位补偿将更加精确，MIMO雷达DOA估计能保证精度。

0≤m≤1,1≤n≤4 (16)

其中X(m,n)是序号为n的接收天线收到序号为m+1的发射天线产生的回波，X_c(m,n)是相位补偿后的结果，v_r为目标实际速度，N_Tx和N_Rx分别为发射天线阵元和接收天线阵元的个数。

将采用经典锯齿波和采用本发明设计的FMCW波形的结果作对比，分别如图10(a)、(b)所示，DOA估计角度分别为7.29°(锯齿波)和1.90°，测量速度分别为v_est＝10.33(m/s)(锯齿波)和v_est＝30.08(m/s)，说明本发明设计的FMCW波形相比锯锯齿波形，测角、测速效果更好。

对所有动目标进行上述步骤的处理，得到的3个动目标距离、方位和速度信息如图11所示，分别为(3.32,99.96,30.38),(0,69.81,14.89),(-12.00,59.64,-40.42)，坐标格式为(x(m),y(m),speed(m/s))。通过仿真，可以验证本发明所提出的一种多目标测速扩展方法，能高效实现多目标定位和测速，并在保证DOA估计的精度的前提下，提高测速上限。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种MIMO雷达多目标测速扩展方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、建立MIMO雷达系统模型：采用基于FMCW发射波形的MIMO雷达系统模型，包括发射天线、接收天线、功率放大器、功分器和混频器组成的射频前端，FMCW波形发生器、滤波放大电路、A/D采样电路和信号处理模块组成的后端处理部分；FMCW波形发生器产生的FMCW波形信号通过功分器分成两路信号，一路信号经功率放大器放大后从发射天线辐射出去，另一路信号作为本振与接收天线接收到的回波信号在混频器进行混频得到差拍信号，差拍信号依次通过滤波放大电路和A/D采样电路后进入信号处理模块，通过信号处理模块提取出目标的距离和速度信息；

步骤二、结合锯齿波和三角波特性设计FMCW波形，并发射FMCW波；

步骤三、对锯齿波回波信号进行2D-FFT处理，得到不同目标在三角波距离维频谱的搜索中心；

步骤四、在三角波回波中寻找动目标的谱峰进行配对后解速度模糊；

步骤五、进行动目标DOA估计。

2.根据权利要求1所述的一种MIMO雷达多目标测速扩展方法，其特征在于，所述步骤二具体实现方法为：FMCW波形为两组相同的三角波，两组三角波之后的波形为锯齿波；MIMO雷达系统的参数分别为：

式中，Range_max为雷达最大测量距离，f_s是雷达发射信号采样率，μ为雷达调频斜率，c为光速；v_t_acc是三角波每单位频点对应的速度，f_s1为三角波采样率，N_ADC1是三角波采样点数；N_FFT是多普勒维FFT点数，f₀是载波起始频率，PRF为脉冲重复频率，v_s_acc是锯齿波2D-FFT图的多普勒维度每单位频点对应速度；

设计该FMCW波形的原则为：在保证三角波和锯齿波最大测量距离不变的情况下，尽可能大地增加锯齿波PRF以满足：

其中，

3.根据权利要求1所述的一种MIMO雷达多目标测速扩展方法，其特征在于，所述步骤三具体实现方法为：在对锯齿波的回波进行2D-FFT处理后，从2D-FFT图中获得目标的大概距离和多个可能的模糊速度，模糊速度用v_s表示，并由大概距离和多个可能的模糊速度确定目标在三角波距离维频谱中的大概位置；在已知搜索中心点对应的距离维频点序号Range_index后，根据式(5)，计算得到不同目标在三角波距离维频谱的搜索中心：

其中Range_{index_up}和Range_{index_down}分别为上、下扫频回波的距离维搜索窗中心点，N_ADC2是锯齿波采样点数。

4.根据权利要求3所述的一种MIMO雷达多目标测速扩展方法，其特征在于，所述步骤四具体实现方法为：在三角波的上、下扫频回波的距离维搜索窗中找到动目标，并对动目标的谱峰进行配对，得到解耦合速度v_t，v_t表示三角波搜索窗中对应的动目标速度；从所有可能的模糊速度v_s中选择与v_t相差最小的值作为测量速度v_est。

5.根据权利要求1所述的一种MIMO雷达多目标测速扩展方法，其特征在于，所述步骤五具体实现方法为：按照下式对不同发射天线收到的回波进行相位补偿并进行DOA估计：

0≤m≤N_Tx-1,1≤n≤N_Rx (9)

其中X(m,n)是序号为n的接收天线收到序号为m+1的发射天线产生的回波，X_c(m,n)是相位补偿后的结果，v_r为目标实际速度，N_Tx和N_Rx分别为发射天线阵元和接收天线阵元的个数。

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