MIMO雷达阵列天线及其信号处理方法与流程

本发明涉及雷达技术领域，尤其是涉及一种mimo雷达阵列天线及其信号处理方法。

背景技术

雷达是一种主动发射电磁波并接收目标反射波，对目标进行主动探测与定位的无线电装置。以地面车辆、人员和低空飞行器为主要探测目标的雷达系统，具有要求能探测到近距离的目标，并需要能有效的抑制地面物体对雷达回波产生的地杂波的影响。采用mimo体制的雷达系统(以下简称为mimo雷达)，能够发射正交的信号，在发射端不会形成信号的同相相加，相比传统抛物面、平板形态天线的雷达系统，mimo雷达的抗杂波干扰能力较强。

现有技术中针对近程地面目标的mimo探测雷达，大多采用x和ku波段，其mimo天线一般采用发射天线与距离最近的接收天线之间的间隔为系统工作波长的一半，隔离度较低。诸如收发隔离度大概只能做到30db，很难抑制掉泄漏进入接收机前端的发射信号(简称泄漏信号)，而过多的泄漏信号将会对雷达系统的正常工作带来不良影响。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种mimo雷达阵列天线及其信号处理方法，能够较好地抑制泄漏信号。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种mimo雷达阵列天线，包括：两个发射天线和四个接收天线；其中，四个接收天线依次按照预设第一间隔排列，一个发射天线设置于第一个接收天线的外侧，另一个发射天线设置于第四个接收天线的外侧；发射天线与相邻的接收天线相距预设第二间隔；其中，预设第二间隔大于mimo雷达阵列天线的工作波长的一半。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，预设第二间隔大于mimo雷达阵列天线的工作波长。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，预设第二间隔大于预设第一间隔。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，发射天线与相邻的接收天线之间还设置有隔离器。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，每个接收天线之后还连接有一个混频器。

结合第一方面至第一方面的第四种可能的实施方式之一，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，mimo雷达阵列天线工作在c波段。

第二方面，本发明实施例还提供一种mimo雷达阵列天线的信号处理方法，方法应用于如第一方面任一项的mimo雷达阵列，该方法包括：选择待发射信号；其中，待发射信号为两个相位正交的线性调频信号；对待发射信号进行预处理，预处理包括匹配滤波处理和/或dechirp处理；将经预处理后的待发射信号通过两个发射天线向外发射，并通过四个接收天线分别接收经目标反射的回波信号；其中，每个接收天线对应一个虚拟接收通道；将每个接收天线的接收信号分离为两个相位正交的通道信号，以使四个接收天线形成八个通道信号；对八个通道信号先后在距离维和多普勒维进行数据处理，得到八个通道信号对应的信号数据，以基于信号数据确定目标的角度信息；其中，数据处理包括操作包括fft处理、非相参积累和cfar处理。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，上述基于信号数据确定目标的角度信息的步骤，包括：基于信号数据，采用最小二乘法或者经典谱估计算法确定目标的角度信息。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第二种可能的实施方式，其中，两个相位正交的线性调频信号分别为第一线性调频信号和第二线性调频信号；第一线性调频信号和第二线性调频信号分别包括两个子周期；其中，第一线性调频信号在两个子周期中的相位分别为0和0；第二线性调频信号在两个子周期中的相位分别为0和π。

结合第二方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第二方面的第三种可能的实施方式，其中，每个子周期的带宽为30mhz，每个子周期的中心频率范围为5.5ghz到5.7ghz之间；每个子周期的调频周期为250μs。

本发明实施例提供了一种mimo雷达阵列天线，包括两个发射天线和四个接收天线；其中，四个接收天线依次按照预设第一间隔排列，一个发射天线设置于第一个接收天线的外侧，另一个发射天线设置于第四个接收天线的外侧；发射天线与相邻的接收天线相距预设第二间隔；其中，预设第二间隔大于mimo雷达阵列天线的工作波长的一半。本发明实施例提供的上述mimo雷达阵列天线的发射天线与接收天线之间的距离大于工作波长的一半，从而有效提升了隔离度，增加了泄漏信号的抑制能力。

此外，本发明实施例提供了一种mimo雷达阵列天线的信号处理方法，该方法能够选择待发射信号，并对待发射信号进行处理，之后对接收信号进行信号分离、fft处理、非相参积累和cfar处理等，得到信号数据，以便基于信号数据确定目标的角度信息。这种方式更适用于本发明实施例提供的上述mimo雷达阵列天线，这种信号处理方式有助于上述mimo雷达阵列天线更为准确的进行目标检测。

本发明实施例的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本发明实施例的上述技术即可得知。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例所提供的一种mimo雷达阵列天线示意图；

图2示出了本发明实施例所提供的另一种mimo雷达阵列天线示意图；

图3示出了本发明实施例所提供的一种信号处理方法流程图；

图4示出了本发明实施例所提供的一种信号处理方法示意图；

图5示出了本发明实施例所提供的一种波程差示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前应用于近程探测的雷达系统，为了避免脉冲信号引入不必要的距离探测盲区，大多采用连续波体制。从发射天线出来的大能量发射信号，会直接泄漏到接收天线，并进入接收机。较大的功率将导致接收机的有源器件饱和无法工作，严重的情况甚至会烧毁接收机的有源器件。为了抑制泄漏信号，一种解决方式为：分别采用发射天线和接收天线，发射天线和接收天线之间采用隔离措施，以减小进入到接收机的泄漏信号。而对于c波段的雷达系统天线，要实现较大的隔离度，需要发射天线和接收天线之间的距离(以下简称收发距离)较大，但是一旦收发距离超过系统工作波长的一半，雷达系统的后端测角算法就不能直接使用诸如谱估计算法等传统测角方法。因此，现有雷达系统的发射天线和接收天线之间的距离(以下简称收发距离)较近，诸如，最多只采用收发最近间隔二分之一波长，致使隔离度较低，收发隔离度大概只有30db，较难抑制掉泄漏进入接收机前端的发射信号。

基于此，本发明实施例提供了的一种mimo雷达阵列天线及其信号处理方法，该技术可应用于雷达技术领域和地面安防技术领域等各种需要采用雷达探测的领域，本发明实施例提供的mimo雷达阵列天线主要包括两个发射天线和四个接收天线(也即，2发4收)，可以形成对方位上90°范围的覆盖(±45°)，同时采用mimo体制，可以形成8个通道的虚拟接收，进而有效增加了角度测量的精度。本发明实施例提供的mimo雷达阵列天线中，发射天线和距离其最近的接收天线之间的距离超过了系统工作波长一半，进一步增加了收发之间的隔离度，而且针对本发明实施例提供的mimo雷达阵列天线又提出了一种信号处理方法，该信号处理方法与传统测角算法不同的测角算法，能够更好地适用于本实施例提供的mimo雷达阵列天线。以下对本发明实施例进行详细介绍。

首先，参见图1所示的一种mimo雷达阵列天线示意图，示意出mimo雷达阵列天线包括两个发射天线和四个接收天线；其中，四个接收天线依次按照预设第一间隔排列，一个发射天线设置于第一个接收天线的外侧，另一个发射天线设置于第四个接收天线的外侧；发射天线与相邻的接收天线相距预设第二间隔；其中，预设第二间隔大于mimo雷达阵列天线的工作波长的一半。其中，图1中的预设第一间隔以d表征，预设第二间隔以收发最小间隔表征。

本发明实施例提供的上述mimo雷达阵列天线的发射天线与接收天线之间的距离大于工作波长的一半，从而有效提升了隔离度，增加了泄漏信号的抑制能力。

为了能够进一步提升隔离度，可以再加大收发距离，还可以在接收天线和发射天线之间留有足够的空间放置增加隔离的器件，基于此，在另一种实施方式中，预设第二间隔大于mimo雷达阵列天线的工作波长。也即，接收天线和发射天线之间的距离超过半波长的两倍，以便在发射天线与相邻的接收天线之间设置隔离器。为便于理解，可以参见图2所示的另一种mimo雷达阵列天线示意图，图2在图1的基础上，还示意出了隔离器。

可以理解的是，本实施例提供的2发4收的mimo雷达阵列可以形成8个虚拟通道，传统的雷达阵列会在每个接收天线后各自接2个混频器，一共需要8个混频器，每个混频器之后形成一个通道信号，以便形成8个通道信号。但这种方式显然增加了雷达系统的复杂度和成本，因此本实施例提供的雷达系统只在每个接收天线之后连接有一个混频器，之后在该硬件的基础上通过诸如信号分离等软件实现方式进行处理，这种方式能够有效降低雷达系统的复杂度和成本。

在具体实施时，本实施例提供的上述mimo雷达阵列天线工作在c波段。

在前述mimo雷达阵列天线的基础上，本实施例提供了一种mimo雷达阵列天线的信号处理方法，参见图3所示的一种信号处理方法流程图，该方法包括：

步骤s302，选择待发射信号；其中，待发射信号为两个相位正交的线性调频信号。

诸如，两个相位正交的线性调频信号分别为第一线性调频信号和第二线性调频信号；第一线性调频信号和第二线性调频信号分别包括两个子周期；其中，第一线性调频信号在两个子周期中的相位分别为0和0；第二线性调频信号在两个子周期中的相位分别为0和π。

在一种实施方式中，每个子周期的带宽为30mhz，每个子周期的中心频率范围为5.5ghz到5.7ghz之间；每个子周期的调频周期为250us。

步骤s304，对待发射信号进行预处理，预处理包括匹配滤波处理和/或dechirp(去调频)处理。

步骤s306，将经预处理后的待发射信号通过两个发射天线向外发射，并通过四个接收天线分别接收经目标反射的回波信号；其中，每个接收天线对应一个虚拟接收通道。

步骤s308，将每个接收天线的接收信号分离为两个相位正交的通道信号，以使四个接收天线形成八个通道信号。接收信号也即接收天线接收的经目标反射的回波信号。

步骤s310，对八个通道信号先后在距离维和多普勒维进行数据处理，得到八个通道信号对应的信号数据，以基于信号数据确定目标的角度信息；其中，数据处理包括操作包括fft(fastfouriertransformation，快速傅氏变换)处理、非相参积累和cfar(constantfalsealarmrate，恒虚警率)处理。在基于信号数据确定目标的角度信息时，可以基于信号数据，采用最小二乘法或者经典谱估计算法确定目标的角度信息。

本发明实施例提供的上述信号处理方法，能够选择待发射信号，并对待发射信号进行处理，之后对接收信号进行信号分离、fft处理、非相参积累和cfar处理等，得到信号数据，以便基于信号数据确定目标的角度信息。这种方式更适用于本发明实施例提供的上述mimo雷达阵列天线，这种信号处理方式有助于上述mimo雷达阵列天线更为准确的进行目标检测。

为便于理解，以下结合图4所示的一种信号处理方法示意图，对信号处理方法具体解释说明如下：

在选择待发射信号时可以根据目标而定，诸如为了实现对预设范围内(诸如400米)的运动人体进行有效探测，可以选择信号参数为2个250μs的线性调频信号。线性调频信号的中心频率为5.5ghz～5.7ghz范围内可变，且信号带宽可以为30mhz，距离分辨率可以为5米。在实际应用中，可以采用相位编码的方式实现两个发射信号的正交。发射天线1的发射信号在两个子周期内的相位为0和0，而发射天线2的发射信号在两个子周期内的相位分别为0和π。这样在接收端可通过两个子周期信号的相加相减来得到两个回波信号的分离。在具体实施时，可以对于512个周期信号，即1024个子周期信号完成一次处理周期。诸如，测速范围为0.3m/s～30m/s。信号的离散采样率是的250μs的子周期信号有4096个采样点，也即如图4所示输入4通道一个子周期的4096点数据。

在对线性调频信号进行处理时，一般有匹配滤波和dechirp(去调频)处理两个方式。匹配滤波处理是将信号进行fft后，与其对应信号形式的滤波器系数相乘，然后再进行ifft(inversefastfouriertransform，快速傅里叶反变换)得到回波幅度沿着距离分布的波形。匹配滤波处理一般在数字域，即信号ad(模数)变换后进行。dechirp处理是在天线的射频端，将接收的回波信号与发射信号的共轭进行混频，将目标相对雷达的距离从时间上的关系转换为不同的频率，然后采用adc(analog-to-digitalconverter，模数转换器)后进行fft，就可以得到目标回波幅度在距离上的曲线。采用mimo形式的雷达系统，需要在进行处理前实现不同发射信号的回波分离。常规的做法是在射频的混频器端，不同的发射信号与接收信号混频，然后通过滤波来得到不同信号的分离。对应本发明实施例提出的2发4收的mimo系统，常规方法是每个接收天线后接两个混频器，分别与2个发射信号进行混频处理。4个接收天线后各接2个混频器，则需要有8个混频器，并在混频器后需要形成8个通道信号，然而这种常规做法增加了系统的复杂度和成本。基于此，本发明实施例采用两个相位相互正交的线性调频信号作为发射信号。两个发射信号第一子周期信号相同，第二子周期的相位相差180°。在ad采样后，通过对信号进行加减操作即可实现信号的分离，也即如图4所示的4通道4096点数据在第一子周期和第二子周期相加减，两个发射通道信号分离形成8通道，这样在射频段只需要4个接收通道，大大的减少了系统复杂度和成本。如图4所示，本发明实施例在进行4096点数据进行fft处理后，还对应要检测的距离窗范围，取出前200点数据进行8通道512周期的距离维非相参积累和cfar，并将检测出的距离信号在8个通道进行512点的多普勒维fft处理，以及进行多普勒维的cfar。

具体而言，在对信号进行积累和检测时，为了有效减少运算量的同时不降低雷达系统的探测性能，采用首先在距离维上进行非相参积累和cfar处理，提取出距离上的幅度较高的距离单元信号，然后沿着多普勒维再进行积累和虚警率较低的cfar处理，以减少系统成本和运算量。雷达系统首先对各个通道信号进行fft处理，得到各个通道回波幅度沿着距离分布的曲线。考虑到不同通道之间距离差引起的相位差，本实施例采用非相参积累，将一个处理周期的8个通道的512个周期信号进行非相参积累，然后使用cfar处理，对目标进行第一门限检测。因为非相参积累方式存在信噪比损失，此时第一门限对应的虚警率可以设置稍大。在距离维的非相参积累和距离维的cfar处理的基础上，可以将检测出的8个虚拟通道对应的距离单元信号进行512点的fft处理，并进行8通道的非相参积累和多普勒维的cfar处理，对目标进行第二门限检测，以便之后基于8通道信号距离多普勒点位采用测角算法提取角度信息。在本发明实施例中，仅需8个通道的非相参积累，512点的fft相当于进行了512个调频周期的相参积累，此时检测门限对应的虚警率可以设置很小。

本发明实施例还提供了一种测角算法，具体阐述如下：

雷达系统在接收到信号后，经过处理，需要对目标的角度进行判断。首先可参见图5所示的一种波程差示意图，具体示意出发射天线、接收天线和目标角度的几何关系形成的波程差，

假设发射天线1和发射天线2的距离为l，接收天线之间的间隔为d。则对于发射天线1的发射信号，假设目标偏离法线的角度为θ，则有接收天线2、3和4相对接收天线1的路径差分别为dsinθ、2dsinθ和3dsinθ。因为波程差引入的相位差为dsinθ/λ、2dsinθ/λ和3dsinθ/λ。对于发射天线2发射的信号，相对接收天线1接收的发射天线2的信号，波程差为lsinθ、(l+d)sinθ、(l+2d)sinθ和(l+3d)sinθ。引入的相位差为lsinθ/λ、(l+d)sinθ/λ、(l+2d)sinθ/λ和(l+3d)sinθ/λ。当收发最小间距为d/2、d、3d/2和2d时，以接收天线1接收发射天线1发射信号为参考，各个天线接收的相对相位差如下表1所示，其中表1示意出了不同发射天线距离是以接收天线1接收发射天线1信号为参考的相位差(×2π)

表1.

对于第一种情况，即收发天线间隔为d/2时，可得形成的虚拟通道之间的相位差是固定的，因此可以直接使用最小二乘法、music法或其它现代谱估计算法进行角度估计。而当收发天线间隔从d/2之后开始增加至d、3d/2和2d时，第5通道和第4通道的相位差不再是dsinθ/λ，而是成了2dsinθ/λ、3dsinθ/λ和4dsinθ/λ。当d＝λ/2时，可以计算得到不同的发射天线间隔下的第5通道信号相对第4通道信号的相位差为2πsinθ、3πsinθ和4πsinθ。若要出现没有模糊的情况，分别要求有|sinθ|≤1、|sinθ|≤2/3和|sinθ|≤1/2，即需要目标偏离阵面角度分布不能大于±90°、±41.8103°和±30°。由此可见，如果此时还采用与收发天线最小间隔为d/2时的测角算法，将因为第5和第4通道相位差的模糊而引入误差。为了解决这一问题，本实施例采用两种方法。第一种方式是：采用最小二乘法，从通道2开始，每一个通道相位减去前一个通道相位，剔除第5通道减去第4通道的相位，得到6个方程计算目标角度。第二种方法是：将第1到第4通道信号即接收发射天线1的信号，和第5到第8通道信号即接收发射天线2的信号，分别使用经典谱估计算法估计角度，然后取平均。两个方法能够较好地解决天线隔离度的需要和测角模糊之间的矛盾。

综上所述，本实施例提供的上述mimo雷达阵列天线及其信号处理方法，可以具有如下有益效果：

(1)增加了发射天线和接收天线之间的间隔，从而有效增加了mimo雷达系统的收发天线间的隔离度，减少了从发射信号泄漏到接收端的信号能量，增强了泄漏信号的抑制能力。

(2)每个接收天线后仅接1个混频器，之后通过诸如信号分离等软件实现方式进行信号处理，采用舍弃一个通道信号的方法来解决因为mimo发射天线间隔增大所带来的角度模糊问题。

(3)可以有效的减少前端接收机射频部分的信号通道数量。按照传统的mimo雷达，需要在接收机混频开始得到8个接收通道，而本发明实施例提供的方案有效地使接收机前端的通道数量与mimo接收天线的数量一致，从而减少了系统复杂度。

(4)采用距离维和多普勒维分别进行cfar处理的方法，在保证检测率的情况下，避免了传统方法对所有距离单元都进行fft的二维处理方法，因此可以有效降低了系统的运算量，进而减少了系统的成本。

而相比之下，常规的mimo雷达采用收发天线分开的方式，即不论发射天线有多少个，发射天线阵面位于天线的一侧，接收天线位于天线的另外一侧，发射接收阵之间采用隔离措施。这样的做法，将导致天线阵面较大，增加了天线研制生产的成本。接收机前端从混频器开始，采用数量是mimo系统发射天线与接收天线乘积的接收通道数，接收机的通道数较大，系统复杂度和成本都很高。信号处理采用二维fft，直接对距离单元进行fft，但运算量较大，因此本发明实施例提供的mimo雷达与现有mimo雷达相比，具有显著的进步。

本发明实施例所提供的mimo雷达阵列天线及其信号处理方法的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。