一种基于发射天线随机切换的时空解耦与超分辨测角方法技术

本发明专利技术公开了一种基于发射天线随机切换的时空解耦与超分辨测角方法，属于雷达信号处理领域，具体包括：针对待测目标，毫米波雷达预先设置随机序列，按顺序切换单个天线发射单个脉冲，通过计算单个接收天线的回波；利用单个发射天线发射K次脉冲，接收天线和发射天线对应的接收通道，将回波扩充为三维矩阵；通过混频处理，按距离维进行FFT变换，得到各目标对应的一维距离像，分辨出距离不同的目标；接着，做压缩感知稀疏重构和恢复目标多普勒谱，得到距离

【技术实现步骤摘要】
一种基于发射天线随机切换的时空解耦与超分辨测角方法


[0001]本专利技术属于雷达信号处理领域，具体是一种基于发射天线随机切换的时空解耦与超分辨测角方法，用于解决TDM
‑
MIMO(Time Division Multiplexing
‑
Multiple input multiple output，时分复用
‑
多发多收)体制下的速度模糊、时空耦合与角度分辨率低的问题。

技术介绍

[0002]TDM
‑
MIMO技术广泛应用于雷达，通过多个发射天线和接收天线相配合，利用时分复用原理可以形成大规模的虚拟接收阵列。由于时分复用的工作方式，发射天线在一个轮换周期内依次切换，实质上是单个天线发射周期的延长，导致了目标最大不模糊速度的下降。另一方面，由于发射天线顺次切换，接收阵元对目标空时采样存在耦合问题，使得角度估计出现较大误差。
[0003]常规提高不模糊速度的方法为发射快慢斜坡调频信号，运用中国余数定理解速度模糊，但是，当目标数目过多时，该方法存在匹配错误的问题；尽管MIMO阵列雷达可以用较少的阵元得到更大的孔径，但是传统的测角算法分辨率受到瑞利极限的限制，为了满足多目标场景的测角性能需要，基于状态空间模型的超分辨测角算法被提出。
[0004]由于发射天线随机切换导致目标多普勒采样的稀疏性，对它的处理可以采用压缩感知稀疏重构(CS)方法，从而实现多普勒稀疏恢复，获得无模糊的速度估计，并由此解决了时空耦合问题，以便利用状态空间算法对目标所在多普勒单元进行角度超分辨估计。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对发射天线随机切换时的多普勒非均匀稀疏采样特性，提出了一种基于压缩感知稀疏重构的多普勒恢复方法，与状态空间法测角结合，实现对多目标的速度角度高分辨估计，具体是一种基于发射天线随机切换的时空解耦与超分辨测角方法，步骤如下：
[0006]步骤一、针对P个待测目标，TDM
‑
MIMO毫米波雷达预先设置随机序列，控制各发射天线的顺序，并按顺序切换各个发射天线；
[0007]MIMO阵列包括N个发射天线和M个接收天线；P，N和M均为整数。
[0008]各天线均发射K次轮换周期的线性调频连续波信号，共发射NK个线性调频连续波信号。
[0009]步骤二、MIMO雷达切换到第n个发射天线发射单个脉冲，计算第m个接收天线接收P个目标的叠加回波信号
[0010]该叠加回波信号为N
R
×
1的向量，N
R
为距离维采样点数；
[0011]叠加回波信号计算公式为：
[0012][0013]为快时间，t为全时间，τ
i
(t)为回波时延，τ(t)＝2(R
i
‑
v
i
t
‑
v
i
k
n
T)/c；R
i
为第i个目标相对雷达的距离；v
i
为第i个目标相对雷达的速度；c为光速，T为脉冲周期；exp(j2πf0t)为雷达发射线性调频信号的载频信号；f0为信号起始频率；B为带宽，B/T＝μ为调频斜率；d为接受天线阵元间隔，且与波长λ存在关系d＝λ/2；n表示发射天线序号，m表示接收天线序号；θ
i
为雷达与第i个目标的角度；k
n
表示慢时间序号，其表示第n个发射天线发射K次信号的顺序，k
n
为从{1,2,...,N,...,NK}内随机抽取K个数的序列。
[0014]步骤三、第n个发射天线共发射K次脉冲，第m个接收天线接收到的所有叠加回波信号组成维度为N
R
×
K的回波数据矩阵S；
[0015]表达式如下：
[0016][0017]s
K
表示第n个发射天线发射第K个脉冲时，第m个接收天线接收的叠加回波信号向量；
[0018]步骤四、同理，针对第n个发射天线，M个接收天线形成了M个接收通道，而N个发射天线发射共对应NM个接收通道，此时回波数据矩阵S的维度扩充为N
R
×
K
×
(NM)。
[0019]每个通道均包含K次脉冲，最终得到维度为N
R
×
K
×
(NM)的三维回波数据矩阵。
[0020]步骤五、设定参考信号，对三维回波数据矩阵中的每个回波信号均做混频处理，获得N
R
×
K
×
(NM)维度的叠加基带信号矩阵；
[0021]首先，设定参考信号s
ref
(t)为：
[0022][0023]然后，对各回波信号做混频处理，得到各回波信号对应的含目标距离、速度和方位角信息的叠加基带信号；计算公式如下：
[0024][0025][0026]R为各目标相对雷达的距离向量；v为各目标相对雷达的速度向量；θ为雷达与各目标的角度向量；
[0027]最后，将各回波信号对应的叠加基带信号组成N
R
×
K
×
(NM)维度的叠加基带信号矩阵；
[0028]步骤六、将叠加基带信号矩阵按距离维进行一维快速傅里叶变换，得到各目标对应的一维距离像，分辨出距离不同的目标，将距离相同的目标进入下一步；
[0029]叠加基带信号矩阵中P个目标中，每个目标回波在对应的距离单元形成的尖峰，作为各目标的一维距离像；一维距离像的坐标间隔为距离分辨单元，位于同一距离分辨单元的目标与雷达的距离相同。
[0030]距离分辨单元是根据雷达有效带宽计算的距离分辨率；计算公式为ΔR＝c/2B。
[0031]步骤七、对距离相同的目标，对各目标的每个距离分辨单元，利用凸优化技术做压缩感知稀疏重构和恢复目标多普勒谱，得到维度为N
R
×
NK的距离
‑
多普勒谱，分辨出速度不同的目标，将速度相同的目标进入下一步；
[0032]距离
‑
多普勒谱是一个二维矩阵，x代表距离坐标，y代表多普勒速度坐标；所有距离和速度相同的目标对应同一个谱峰；
[0033]步骤八、对距离
‑
速度相同的目标做谱峰搜索，检测到若干谱峰极值点，通过各极值点的二维坐标在三维回波数据矩阵中确定各自对应的天线维，组成各目标的天线维向量；
[0034]具体为：每个谱峰极值点分别代表一个或多个雷达的距离
‑
速度相同的目标；针对每个谱峰极值点，利用该极值点在距离
‑
多普勒谱中的(x,y)坐标，对应到三维回波数据矩阵中，获取对应的z坐标，即目标的天线维向量；
[0035]步骤九、对各距离
‑
速度相同的目标的天线维向量做状态空间平衡法测角，得到各目标的三维参数估计结果，从而将距离
‑<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于发射天线随机切换的时空解耦与超分辨测角方法，其特征在于，具体步骤如下：首先，针对P个待测目标，TDM
‑
MIMO毫米波雷达预先设置N个发射天线的随机序列，按顺序切换到第n个发射天线发射单个脉冲，计算单个接收天线即第m个接收天线，接收P个目标的叠加回波信号然后，该第n个发射天线共发射K次脉冲，单个接收天线接收到的所有叠加回波信号组成维度为N
R
×
K的回波数据矩阵S；同理，针对该第n个发射天线，M个接收天线形成了M个接收通道，而N个发射天线发射共对应NM个接收通道，此时回波数据矩阵S的维度扩充为N
R
×
K
×
(NM)，即形成三维回波数据矩阵；接着，设定参考信号，对三维回波数据矩阵中的每个回波信号均做混频处理，获得三维的叠加基带信号矩阵；并按距离维进行一维快速傅里叶变换，得到各目标对应的一维距离像，分辨出距离不同的目标；同时，将距离相同的各目标的每个距离分辨单元，利用凸优化技术做压缩感知稀疏重构和恢复目标多普勒谱，得到维度为N
R
×
NK的距离
‑
多普勒谱，分辨出速度不同的目标后，将速度相同的各目标做谱峰搜索，检测到若干谱峰极值点，通过各极值点的二维坐标在三维回波数据矩阵中确定各自对应的天线维，组成各目标的天线维向量；接着，对各距离
‑
速度相同的目标的天线维向量做状态空间平衡法测角，得到各目标的三维参数估计结果，从而将距离
‑
速度相同的目标在角度维上进行分辨；最终雷达基于发射天线随机切换，将距离不同的目标，速度不同的目标和角度不同的目标都进行了区分。2.如权利要求1所述的一种基于发射天线随机切换的时空解耦与超分辨测角方法，其特征在于，所述第n个发射天线发射单个脉冲，第m个接收天线接收P个目标的叠加回波信号为N
R
×
1的向量，N
R
为距离维采样点数；计算公式为：计算公式为：为快时间，t为全时间，τ
i
(t)为回波时延，τ(t)＝2(R
i
‑
v
i
t
‑
v
i
k
n
T)/c；R
i
为第i个目标相对雷达的距离；v
i
为第i个目标相对雷达的速度；c为光速，T为脉冲周期；exp(j2πf0t)为雷达发射线性调频信号的载频信号；f0为信号起始频率；B为带宽，B/T＝μ为调频斜率；d为接受天线阵元间隔，且与波长λ存在关系d＝λ/2；n表示发射天线序号，...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏少明，洪文衍，王俊，耿雪胤，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：