基于MIMO毫米波雷达的散点检测方法技术

本发明专利技术属于雷达检测技术领域，具体为基于MIMO毫米波雷达散点检测方法。本发明专利技术包括：根据TI毫米波雷达芯片XAW1243，设计12发16收L形天线的MIMO毫米波雷达信号处理架构；对同一方向的各天线接收的多散点目标信号进行2D‑FFT变换，同时累加具有相同方向接收天线接收的信号产生2D‑FFT，形成复数检测矩阵；对复数检测矩阵实数化进行峰值特征检测，检测出目标相对位置；对2D‑FFT对应的目标点进行角度FFT，检测出方向角；根据距离相与方向角，检测目标散点的实际坐标。本发明专利技术由FPGA采集、处理信号，包括1D&2D‑FFT、目标点检测、角度FFT、频率检测，最后计算散点目标实际位置；本发明专利技术在模式识别、自动驾驶等领域有重要应用价值。

【技术实现步骤摘要】
基于MIMO毫米波雷达的散点检测方法专利
本专利技术属于雷达检测
，具体涉及一种基于MIMO毫米波雷达的散点检测方法。
技术介绍
随着大数据技术的崛起，很多智能检测技术成为其中一个重要方法，在无人机、自动驾驶、安全检测、智能互连等领域中具有重要作用。目前，常用的检测方式如光学摄像头、于SIMO雷达、X射线、超声雷达等在很多场合已获得了成功应用，但基于效率性、安全性、准确性等因素，这些检测技术已经不能满足日趋高度集成化与智能化的应用，如光学摄像穿透性差、SIMO雷达检测效率低，X射线对人体的伤害性，超声雷达检测距离短与分辨力差等缺点，严重限制了这些技术广泛应用。基于77G毫米波波长短、分辨率高特点，结合TDM-MIMO技术进一步提高检测分辨力，多输入多输出(MIMO)毫米波雷达是指具有多个TX和多个RX天线的毫米波雷达，目前在无人驾驶、安检、模式识别等领域已有初步应用。NTX个发射天线和NRX个接收天线的MIMO雷达的角度分辨率与NTX×NRX接收天线的SIMO雷达等效，但相比之下具有更少数量天线，极大降低硬件系统复杂度。因此，MIMO雷达具有成本优势来提高雷达的角分辨力，在智能检测领域具有重要应用。本专利技术提出的基于MIMO毫米波雷达的散点检测方法，采用TI公司高集成度的77G毫米波雷达芯片，集射频、放大、上下变频、ADC于一体，采用4个芯片级联的方式，提高发射、接收天线数量，达到12Tx与16Rx的天线数，可虚拟成192根天线阵列，后续只需连接一个数字采集系统，可以进行信号采集与成像处理，方便、快捷。借助FPGA的快速信号采集、处理能力，能同时、实时采集多路回波信号并对其进行实时2D-FFT与角度FFT计算，形成一个检测矩阵，通过一定的检测算法，实现对目标散点方向与距离进行快速、高效率准确检测，具有重要应用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种跟踪目标实时性好、准确率高的基于MIMO毫米波雷达的散点检测方法。本专利技术提出的基于MIMO毫米波雷达的散点检测方法，具体步骤为：(1)设计12发16收L形天线的TDM-MIMO毫米波雷达信号处理架构；(2)对同一方向的各天线接收的多散点目标信号进行2D-FFT变换，同时累加具有相同方向接收天线接收的信号产生2D-FFT，形成复数检测矩阵；(3)对复数检测矩阵实数化，进行峰值特征检测，检测出目标相对位置；(4)对所有2D-FFT对应的目标点进行角度FFT，检测出方向角；(5)根据2D-FFT产生的距离相与方向角，检测目标散点的实际坐标。步骤(1)所述设计12发16收L形天线的MIMO毫米波雷达信号处理架构，具体流程为：基于TI公司(TexasInstruments，德州仪器)毫米波芯片(型号XWR1243，每个芯片具有3Tx×4Rx天线)设计4芯片级联系统，形成12Tx×16Rx天线L形状阵列，可虚拟成192根矩形阵列接收天线，这样形成多输入多输出MIMO模式，最后直接16路LVDS输出数字回波信号；后端由FPGA采集、处理信号，包括1D&2D-FFT、目标点检测、角度FFT、频率检测等，最后计算散点目标角度与坐标。步骤(2)中所述的对同一方向天线(包括水平或垂直方向)接收的多帧目标散点信号进行2D-FFT变换，同时累加具有相同方向接收天线接收的信号产生2D-FFT，形成复数检测矩阵，包含以下两个步骤：a.基于TDM-MIMO雷达4芯片级联系统散点检测系统，每根发射天线采用时分复用发射模式，而所有的接收天线同时接收，总共虚拟成12×16阵列天线；每根天线可接收一帧数据(由多个Chirp组成)进行2D-FFT形成一个RD-MAP；b.具有相同方位(水平或垂直)的接收天线，每根这样的天线会产生一个RD-MAP，再进行矢量相加，得到检测复数矩阵。步骤(3)中所述的对复数检测矩阵进行峰值特征检测，检测出目标相对位置，具体流程为：a.根据步骤(2)所得到的复数检测矩阵，先对矩阵中每个复数点取模值，再取常用对数(20lg(·))操作，转换为dB值，得到实数矩阵；b.对该实数矩阵每行与每列分别进行平均恒虚警检测(CA-CFAR)(王敦勇等.MIMO雷达中单元平均恒虚警检测性能分析[J].电子对抗,2008(1):34-38.)，得到所有目标点在该检测矩阵中的行列坐标(R,C)，形成一个目标坐标表。步骤(4)所述对所有2D-FFT对应行列坐标(R,C)的目标点取出进行角度FFT，检测出方向角的具体流程为：在步骤(3)中获取的目标点在该检测矩阵中的坐标(R,C)，若该检测矩阵由同一水平方向天线接收信号形成，取出所有目标点坐标对应于所有RD-MAP图中的点，再进行角度FFT，获得目标点频谱；再根据一定的噪声门限判断出目标点，其频谱峰值位置对水平方向的角频率ωx：其中，tpx为目标对应的频谱序列号，NFFTx为角度FFT变换点数，得到水平视角θa表达式：dx为相邻水平天线距离，λ为无线电波长。同理，计算出垂直仰视角θz：h为垂直方向两相邻天线间距离。若检测出l个目标点，就会产生l个θa、θz角度。步骤(5)所述根据距离相与方向角，检测目标散点的实际坐标的具体流程：步骤(2)产生的2D-FFT包含了距离相，求解出散点目标离雷达的距离R与水平与垂直方向角度ωx与ωz，可计算出其中一个目标点的坐标(x,y,z)，求解式如下其中，d、h分别为水平、垂直方向两相邻天线间距离，c为光速，Ks为线性调频波斜率，fs为回波采样率。把所有的散点目标坐标映射到对应的二维或三维坐标上对应的位置，就可直观地对目标进行动态检测显示。本专利技术主要涉及3个FFT结合峰值检测法便可以求解目标散点位置，实现对目标散点方向与距离的快速、高效准确检测。本专利技术能够实现多目标二维三维成像，精准地估计目标点方位，具有跟踪目标实时性好、准确率高的特点；该方法在模式识别、无人机、自动驾驶、安检等领域具有重要应用价值。附图说明图1是MIMO毫米波雷达的散点检测方法流程图。图2是4芯片级联12发16收77G毫米波MIMO雷达系统信号处理流程图。图3是L形天线的虚拟阵列图示意图。图4是基于角度FFT检测方向角的原理图。图5是散点三维坐标计算原理图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的实施例作详细说明。本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。结合图1说明本专利技术的具体实施过程如下：(1)根据TDM-MIMO毫米波雷达系统(每根发射天线发射一定调制斜率、中心频率、带宽的线性调频信号，即Chirp信号)，采集多通道Chirp信号；(2)根据每根天线接收的多Chirp信号进行2D-FFT变换，创建检测矩阵；(3)基于CA-CFAR算法对检测矩阵进行处本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于MIMO毫米波雷达的散点检测方法，其特征在于，具体步骤如下：/n（1）设计12发16收L形天线的TDM-MIMO毫米波雷达信号处理架构；/n（2）对同一方向的各天线接收的多散点目标信号进行2D-FFT变换，同时累加具有相同方向接收天线接收的信号产生2D-FFT，形成复数检测矩阵；/n（3）对复数检测矩阵实数化进行峰值特征检测，检测出目标相对位置；/n（4）对所有2D-FFT对应的目标点进行角度FFT，检测出方向角；/n（5）根据2D-FFT产生的距离相与方向角，检测目标散点的实际坐标。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于MIMO毫米波雷达的散点检测方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）设计12发16收L形天线的TDM-MIMO毫米波雷达信号处理架构；
（2）对同一方向的各天线接收的多散点目标信号进行2D-FFT变换，同时累加具有相同方向接收天线接收的信号产生2D-FFT，形成复数检测矩阵；
（3）对复数检测矩阵实数化进行峰值特征检测，检测出目标相对位置；
（4）对所有2D-FFT对应的目标点进行角度FFT，检测出方向角；
（5）根据2D-FFT产生的距离相与方向角，检测目标散点的实际坐标。


2.根据权利要求1所述的基于TDM-MIMO毫米波雷达的散点检测方法，其特征在于，步骤（1）的具体流程：采用TI公司XWR1243芯片设计4芯片级联系统，每个芯片具有3Tx×4Rx天线，形成12Tx×16Rx天线L形状阵列，可虚拟成192跟矩形阵列接收天线，这样形成多输入多输出MIMO模式，最后直接16路LVDS输出数字回波信号。


3.根据权利要求2所述的基于MIMO毫米波雷达的散点检测方法，其特征在于，步骤（2）的具体流程：
a.基于TDM-MIMO雷达散点检测系统，每根发射天线采用时分复用发射方式，而所有的接收天线同时接收，总共虚拟成12×16阵列天线；每根天线接收一帧数据，由多个Chirp组成，形成二维矩阵，进行2D-FFT形成一个距离多普勒图RD-MAP；
b.具有相同方位的接收天线，每根这样的天线产生一个RD-MAP，其包含了所有目标点的距离与方位信息，再进行矢量相加，得到检测复数矩阵。


4.根据权利要求3所述的基于MIMO毫米波雷达的散点检测方法，其特征在于，步骤（3）的具体流程：
a.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐文明，徐丰，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31