雷达信源数估计方法、系统、电子设备及存储介质与流程

1.本技术属于阵列信号处理的技术领域，涉及一种信源数估计方法，特别是涉及一种雷达信源数估计方法、系统、电子设备及存储介质。


背景技术：

2.信源数估计是阵列信号处理领域的一个重要分支。其中，空间中实际的目标个数是一个重要参量，一旦目标数估计错误，就会导致算法性能急剧下降。
3.当前较为有效的信源数估计方法大多是在信息论方法、盖氏圆方法和正则相关技术这几类基础方法的基础上演化改进而来的。对于信息论方法，包括有akaike信息论(aic，akaike information criterion)准则、最小描述长度(mdl，the minimum description length principle)准则等。这一类方法需要进行特征值分解，且对信号快拍数有着较高的要求，而且只能适用于独立信号。所以利用这一类方法需要事先进行解相干处理或者采用平滑秩序列法作为这一类方法的补充。对于盖氏圆方法可以不需要进行特征值分解，从而减少了特征值分解带来的运算量，而且适用于少快拍情况，但是同样存在对于相干信号不适用的问题。
4.因此寻找一种对于单快拍和相干信号适用，同时又便于工程实现的信源数估计方法，依然是当前空间谱估计领域的一个研究热点，也是一个难点和痛点。


技术实现要素：

5.本技术的目的在于提供一种雷达信源数估计方法、系统、电子设备及存储介质，解决了当前信源数估计方法在估计时对于单快拍和相干信号估计性能差，运算量大，不利于工程实现的问题。
6.本技术实施例第一方面提供一种雷达信源数估计方法，所述方法包括：获取不同通道的回波信号；基于所述回波信号，对不同通道进行能量分析，确定通道能量差，根据所述通道能量差来判断空间中的信源数。
7.在第一方面的一种可能的实施方式中，所述基于所述回波信号，对不同通道进行能量分析，确定通道能量差的步骤，包括：基于所述回波信号，确定各个通道的二维频谱；检测各个目标在所述二维频谱上的位置；根据所述位置，提取不同通道上属于同一个目标的二维频谱数据点；对所属二维频谱数据点所属通道进行能量分析，确定所述通道能量差。
8.在第一方面的一种可能的实施方式中，所述基于所述回波信号，确定各个通道的二维频谱的步骤，包括：对所述回波信号进行二维fft变换，得到各个通道的二维频谱。
9.在第一方面的一种可能的实施方式中，所述检测各个目标在所述二维频谱上的位置的步骤，包括：通过恒虚警检测获得各个目标在距离-多普勒二维频谱上的位置。
10.在第一方面的一种可能的实施方式中，所述对所述二维频谱数据点所属通道进行能量分析，确定所述通道能量差，根据所述通道能量差来判断空间中的信源数的步骤，包括：将所述二维频谱数据点组合成单快拍阵列接收数据矩阵的形式，并作归一化处理；计算
各个通道的能量以及通道能量间的方差；根据所述方差与预设阈值的大小关系来判断空间中的信源数。
11.在第一方面的一种可能的实施方式中，所述根据所述方差与预设阈值的大小关系来判断空间中的信源数的步骤，包括：比较所述方差与所述预设阈值的大小；若所述方差小于所述预设阈值，则判定所述目标数为单目标；若所述方差大于或等于所述预设阈值，则判定所述目标数为双目标。
12.在第一方面的一种可能的实施方式中，所述根据所述方差与预设阈值的大小关系来判断空间中的信源数的步骤，还包括：利用所述目标数进行后续的信号波达方向估计。
13.在第一方面的一种可能的实施方式中，所述雷达信源数估计方法应用于车载毫米波雷达的信源数估计。
14.本技术实施例第二方面提供一种雷达信源数估计系统，所述系统包括：信号获取模块，被配置为获取不同通道的回波信号；能量差确定模块，被配置为基于所述回波信号对不同通道进行能量分析，确定通道能量差；信源数估计模块，被配置为根据所述通道能量差来判断空间中的信源数。
15.本技术实施例第三方面提供一种电子设备，包括：处理器及存储器；所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述电子设备执行所述的方法。
16.本技术实施例第四方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述的方法。
17.如上所述，本技术所述的雷达信源数估计方法、系统、电子设备及存储介质，具有以下有益效果：
18.本技术主要用于对空间中的目标数进行估计，与现有的特征值分解类信源数估计方法相比，本技术从阵列通道能量方差出发，克服了特征值分解带来的巨大运算量，减少了计算复杂度。同时相比于现有的信源数估计方法，本技术能够适用于单快拍信号和相干信号，避免了信号解相干带来的繁琐步骤以及阵元孔径的损失，并且本技术对阵列形式要求不高，适用于均匀线阵和非均匀线阵，具有较高的普适性。
附图说明
19.图1显示为本技术实施例所述的雷达信源数估计方法的线性阵列示意图。
20.图2显示为本技术实施例所述的雷达信源数估计方法的原理流程图。
21.图3显示为本技术实施例所述的雷达信源数估计方法的均匀线阵示意图。
22.图4显示为本技术实施例所述的雷达信源数估计方法在信噪比20db下对应的单双目标通道方差图。
23.图5显示为本技术实施例所述的雷达信源数估计方法在信噪比15db下对应的单双目标通道方差图。
24.图6显示为本技术实施例所述的雷达信源数估计方法在信噪比10db下对应的单双目标通道方差图。
25.图7显示为本技术实施例所述的雷达信源数估计方法的估计成功率曲线图。
26.图8显示为本技术实施例所述的雷达信源数估计系统的结构原理图。
27.图9显示为本技术实施例所述的电子设备的结构连接示意图。
28.元件标号说明
[0029]8ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
雷达信源数估计系统
[0030]
81
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
信号获取模块
[0031]
82
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
能量差确定模块
[0032]
83
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
信源数估计模块
[0033]9ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电子设备
[0034]
91
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
处理器
[0035]
92
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
存储器
[0036]
93
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
通信接口
[0037]
94
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
系统总线
[0038]
s21～s23
ꢀꢀꢀꢀ
步骤
具体实施方式
[0039]
以下通过特定的具体实例说明本技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本技术的其他优点与功效。本技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本技术的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0040]
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本技术的基本构想，遂图式中仅显示与本技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0041]
发明人意识到，由于当前大多数的信源数估计方法都要依赖于阵列数据协方差矩阵的特征值，因此需要进行特征值分解，从而导致运算量较大，工程实现困难。而且这一类方法需要较多的快拍数，例如信息论准则、盖氏圆定理等对快拍数有一定的要求，对于单快拍情况并不适用。另外当前大多的信源数估计方法对于信号相干情况都需要进行解相干处理，这一方面使得其只适用于某些特定阵列形式，另一方面又增加了一定的计算量。车载场景中，一般需要区分的是单目标和双目标相干的情况，为此，本发明从工程实际出发，基于各个通道的能量差提出了一种适用于单快拍且信号相干的信源数估计方法，计算量较小，尤其适合车载毫米波雷达的工程实现，主要用于区分单目标和双目标。
[0042]
本技术以下实施例提供了雷达信源数估计方法、系统、电子设备及存储介质，包括但不限于应用在车载毫米波雷达或其他本技术原理可实现的雷达系统及装置中。针对现有信源数估计方法存在的问题以及从工程实现出发，本技术从信号幅度考虑，提出了一种基于通道能量差的信源数估计方法。对于车载毫米波雷达，比较重要的的是单双目标的判别，因此本技术主要用于估计单双目标情况下的信源数。
[0043]
下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行详细描述。
[0044]
请参阅图1，显示为本技术实施例所述的雷达信源数估计方法的线性阵列示意图。
如图1所示，考虑目标空间中存在有n个目标，即有n个远场窄带信号入射到空间中由m个阵元组成的阵列上，阵列形式如图1所示。其中阵元坐标可以表示为d＝[d
1 d2…dm
],坐标的单位间隔为0.5λ,其中λ表示信号波长。则阵列接收数据可以表示成：
[0045]
x(t)＝a(θ)s(t)+n(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0046]
对于单快拍数据来说，式中x(t)＝[x
1 x2…
xm]f为m
×
1维的阵列接收数据矢量，n(t)＝[n
1 n2…
nm]
t
为m
×
1维的噪声矢量，s(t)＝[s
1 s2…
sn]
t
为n
×
1维的信号矢量，a(θ)＝[a(θ1) a(θ2)
…
a(θn)]为阵列流型矩阵，其中a(θn)称为导向矢量，可以表示成：
[0047][0048]
所以第m个接收通道的数据可以表示成：
[0049][0050]
这里考虑单目标和双目标情况下各个通道的能量，为了便于推导，暂时忽略掉噪声的影响，考虑无噪声情况，那么：
[0051]
对于单目标，第m个接收通道的能量：
[0052][0053]
上式中(
·
)
*
表示信号的共轭。由上式易推得对于单目标情况，各个接收通道能量均为|s|2，因此此时对各个通道求方差，方差应该为0。
[0054]
对于双目标情况，第m个接收通道的接收数据为：
[0055][0056]
对于单快拍信号或者相干信号，存在有如下关系式：
[0057]
s2＝ρs1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0058]
其中，为复常数，所以公式(5)可以化简成：
[0059][0060]
那么对于双目标，第m个接收通道的能量：
[0061][0062]
展开化简可得
[0063][0064]
由于不同的阵元其阵元坐标dm不同，因此由公式(9)易知对于双目标，不同接收阵元之间的通道能量差是不同的，通道能量存在波动，导致方差较大。
[0065]
综上可知，对于单目标和双目标二者的通道间方差是不同，对于单目标来说，通道
间能量方差是趋近于0的，对于双目标，则其方差是比较大的。本技术正是基于此性质，提出一种基于通道能量差的信源数估计方法。其中，噪声的存在会导致方差较大，因此对信噪比要求相对较高。
[0066]
请参阅图2，显示为本技术实施例所述的雷达信源数估计方法的原理流程图。如图2所示，于一实施例中，所述雷达信源数估计方法应用于车载毫米波雷达的信源数估计。本技术所述的雷达信源数估计方法具体包括以下步骤：
[0067]
s21，获取不同通道的回波信号。
[0068]
具体地，车载毫米波雷达场景中一般一个距离-多普勒单元中最多有2个目标存在，且只有一个快拍存在，因此本技术更适用于此种车载场景的使用。
[0069]
以车载fmcw(frequency modulated continuous wave，调频连续波)体制的雷达为例，通过雷达阵列接收系统获得多个接收通道的回波中频信号表示为：其中，p为慢时间维采样点，q为快时间维采样点，m表示第m个阵元，表示第n个目标的多普勒频率，vn表示速度，表示距离位置引起的频偏，k表示上扫频斜率，rn表示距离，c表示光速，ts表示采用间隔，tr表示单个扫频周期的时间。
[0070]
s22，基于所述回波信号对不同通道进行能量分析，确定通道能量差。
[0071]
s23，根据所述通道能量差来判断空间中的信源数。
[0072]
于一实施例中，步骤s22具体包括以下步骤：
[0073]
s221，基于所述回波信号，确定各个通道的二维频谱。
[0074]
于一实施例中，步骤s221具体包括：对所述回波信号进行二维fft(fast fourier transform，快速傅里叶变换)变换，确定各个通道的二维频谱。
[0075]
具体地，对回波信号分别做二维fft，得到各个通道的二维频谱表示为：s_fftm(k,l)＝fft(fft(sigm(p,q)))。
[0076]
s222，检测各个目标在所述二维频谱上的位置。
[0077]
于一实施例中，步骤s222具体包括：通过cfar(constant false-alarm rate，恒虚警检测)获得各个目标在距离-多普勒二维频谱上的位置。
[0078]
s223，根据所述位置，提取不同通道上属于同一个目标的二维频谱数据点。
[0079]
s224，对所述二维频谱数据点所属通道进行能量分析，确定所述通道能量差，以根据所述通道能量差来判断空间中的信源数。
[0080]
于一实施例中，步骤s224具体包括：
[0081]
(1)将所述二维频谱数据点组合成单快拍阵列接收数据矩阵的形式，并作归一化处理。
[0082]
本实施例中所建立的信号模型如下：
[0083]
假设存在有一个m阵元的均匀阵列，阵元间距为0.5λ，空间中有n个远场窄带信号入射到均匀线阵上(n最大为2)，阵列形式如图3所示，以第一个阵元为参考阵元，经过二维fft和cfar处理后，提取出目标所在的距离-多谱勒单元组成的单块拍阵列接收数据可以表示成：
[0084]
x＝a(θ)s+n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0085]
其中，x＝[x
1 x2…
xm]
t
为m
×
1维的阵列接收数据矢量，n＝[n
1 n2…
nm]
t
为m
×
1维的噪声矢量，s＝[s
1 s2…
sn]
t
为n
×
1维的信号矢量，a(θ)＝[a(θ1) a(θ2)
…
a(θn)]为阵列流型矩阵，其中a(θn)可以表示成：
[0086][0087]
所以第m个接收通道的数据可以表示成：
[0088][0089]
(2)计算各个通道的能量以及通道能量间的方差。
[0090]
为了便于推导，暂时忽略掉噪声的影响，考虑无噪声的理想情况，那么：
[0091]
对于单目标，第m个接收通道的能量：
[0092][0093]
上式中(
·
)
*
表示信号的共轭。由上式易推得对于单目标情况，各个接收通道能量均为|s|2，因此此时对各个通道求方差，方差应该为0。
[0094]
对于双目标情况，第m个接收通道的接收数据为：
[0095][0096]
对于单快拍信号或者相干信号，存在有如下关系式：
[0097]
s2＝ρs1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)其中，为复常数，所以公式(14)可以化简成：
[0098][0099]
那么对于双目标，第m个接收通道的能量：
[0100][0101]
所以对于不同的阵元，由于m值得不同，由公式(17)易知对于双目标，不同接收阵元之间的通道能量差是不同的，通道能量存在波动，导致方差较大。
[0102]
(3)根据所述方差与预设阈值的大小关系来判断空间中的信源数。
[0103]
于一实施例中，s224的步骤(3)包括：
[0104]
比较所述方差与所述预设阈值的大小；若所述方差小于所述预设阈值，则判定所述目标数为单目标；若所述方差大于或等于所述预设阈值，则判定所述目标数为双目标。
[0105]
设置阈值δ，利用下式计算各个通道能量的方差：
[0106][0107]
其中，em表示第m个通道的能量，表示m个通道能量的均值。如果计算出来的方差var》δ，则认为为双目标，否则判定为单目标。这里为了使得取得的阈值具有普适性，在计
算方差前对m个通道数据进行归一化处理。
[0108]
于实际应用中，由于所提算法不受阵列形式限制，不同阵列形式有不同的具体阈值δ，且由于所提算法是噪声敏感的，另外阵元数不同也表征阵列抗信噪比能力的不同，所以需根据实际情况作出调整。本技术仅示出两种阵列形式的阈值，对于8元均匀阵，20db信噪比，阈值δ可设置为0.25～0.55之间；15db信噪比，阈值δ可设置为0.45～0.6之间。对于10元非均匀阵，20db信噪比，阈值δ可设置为0.25～0.4之间；15db信噪比，阈值δ可设置为0.35～0.4之间。
[0109]
于一实施例中，s23还包括：利用所述目标数进行信号波达方向估计。
[0110]
具体地，在获得目标数的基础上，进行doa(direction of arrival，信号波达方向估计)估计，包括但不限于常见的子空间类doa算法(如music、esprit等)以及dml(确定性最大似然估计，deterministic maximum likelihood，算法等。
[0111]
图4中示出了在阵元数为8的均匀线阵，信噪比20db条件下，不同角度下本技术所提信源数估计方法的单目标和双目标的通道能量方差，其中对于双目标，固定其中一个角度为0
°
，另一个角度从-75
°
到+75
°
变化，且两个目标的信号幅度一致，快拍数为1，目标信号为相干信号。由图中可以看出，在20db信噪比下，以0.55为阈值门限，除了部分受限于阵列物理孔径本身无法分辨双目标的角度外，利用本发明所提算法，可以很好的判别出单双目标情况下的目标个数。
[0112]
图5和图6分别示出了信噪比为15db和10db下的仿真结果，从图中可以看出，在信噪比为15db时，本发明所提算法依然能够较好估计出目标个数，在信噪比为10db时，存在部分角度目标数估计错误的情况。因此为了能够较好的达到估计效果，本发明优选的适用于信噪比10db以上的情况。
[0113]
图7中给出本发明在不同信噪比下单目标和双目标情况下的估计成功率对比，单目标固定目标角度为10
°
，双目标为(0
°
，20
°
)。可以看到对于单目标和双目标在信噪比11db以上时均具有高于80％的估计成功率，12db时达到90％以上，在低信噪比时，容易把单目标估计成双目标，可能会对测角结果产生影响。
[0114]
本技术实施例所述的雷达信源数估计方法的保护范围不限于本实施例列举的步骤执行顺序，凡是根据本技术的原理所做的现有技术的步骤增减、步骤替换所实现的方案都包括在本技术的保护范围内。
[0115]
本技术实施例还提供一种雷达信源数估计系统，所述雷达信源数估计系统可以实现本技术所述的雷达信源数估计方法，但本技术所述的雷达信源数估计方法的实现装置包括但不限于本实施例列举的雷达信源数估计系统的结构，凡是根据本技术的原理所做的现有技术的结构变形和替换，都包括在本技术的保护范围内。
[0116]
如8所示，本实施例提供一种雷达信源数估计系统，所述雷达信源数估计系统应用于车载毫米波雷达的信源数估计。所述雷达信源数估计系统8包括：信号获取模块81、能量差确定模块82以及信源数估计模块83。
[0117]
所述信号获取模块81被配置为获取不同通道的回波信号。
[0118]
所述能量差确定模块82包括频谱确定单元、位置检测单元、数据点提取单元和能量差确定单元。
[0119]
所述频谱确定单元被配置为基于所述回波信号，确定各个通道的二维频谱。
unit，简称cpu)、网络处理器(network processor，简称np)等；还可以是数字信号处理器(digital signal processing，简称dsp)、专用集成电路(扫描应用程序lication specific integrated circuit，简称asic)、现场可编程门阵列(field programmable gate array，简称fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
[0133]
上述的存储器92可能包含随机存取存储器(random access memory，简称ram)，也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
[0134]
上述提到的系统总线94可以是外设部件互连标准(peripheral component interconnect，简称pci)总线或扩展工业标准结构(extended industry standard architecture，简称eisa)总线等。该系统总线94可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。通信接口用于实现数据库访问装置与其他设备(如客户端、读写库和只读库)之间的通信。
[0135]
所述电子设备例如可以是包括存储器、存储控制器、一个或多个处理单元(cpu)、外设接口、rf电路、音频电路、扬声器、麦克风、输入/输出(i/o)子系统、显示屏、其他输出或控制设备，以及外部端口等所有或部分组件的计算机；所述计算机包括但不限于如台式电脑、笔记本电脑、平板电脑、智能手机、个人数字助理(personal digital assistant，简称pda)等个人电脑，所述计算机还可以是车载终端。在另一些实施方式中，所述硬件设备还可以是服务器，所述服务器可以根据功能、负载等多种因素布置在一个或多个实体服务器上，也可以是由分布的或集中的服务器集群构成的云服务器，本实施例不作限定。
[0136]
本技术实施例还提供了一种计算机可读存储介质。本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令处理器完成，所述的程序可以存储于计算机可读存储介质中，所述存储介质是非短暂性(non-transitory)介质，例如随机存取存储器，只读存储器，快闪存储器，硬盘，固态硬盘，磁带(magnetic tape)，软盘(floppy disk)，光盘(optical disc)及其任意组合。上述存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。该可用介质可以是磁性介质(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如数字视频光盘(digital video disc，dvd))、或者半导体介质(例如固态硬盘(solid state disk，ssd))等。
[0137]
上述各个附图对应的流程或结构的描述各有侧重，某个流程或结构中没有详述的部分，可以参见其他流程或结构的相关描述。
[0138]
上述实施例仅例示性说明本技术的原理及其功效，而非用于限制本技术。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本技术的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本技术所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本技术的权利要求所涵盖。