基于峰值处的相位来解决TDM-MIMO雷达中的多普勒模糊的制作方法

本公开涉及时分复用(tdm：time-division multiplexing)多输入多输出(mimo：multiple-input multiple-output)调频连续波(fmcw：frequency-modulatedcontinuous-wave)雷达装备中的信号处理。特别地，它提出了一种用于解决虚拟雷达阵列中的速度诱导(velocity-induced)相位模糊的改进方法。

背景技术：

1、雷达阵列可以由单个物理发射机和多个物理接收机组成。物理雷达阵列中元件的有效数量等于物理接收机的数量。元件的数量决定了雷达阵列的分辨率。例如，到达角(aoa：angle-of-arrival)计算中的角分辨率会随着雷达阵列中的元件数量的增加而提高。可以通过以下步骤来计算移动对象的aoa：

2、1.记录针对多个线性调频信号(chirps)(频率斜坡)和多个雷达阵列元件的中频(if：intermediate-frequency)信号。

3、2.针对每个雷达阵列元件执行两个离散谐波变换(例如，快速傅立叶变换，fft)，以获得由距离多普勒仓组成的信号。

4、3.选择与场景中的移动对象相对应的一个距离多普勒仓。

5、4.基于雷达阵列元件之间的相移来计算aoa，例如，作为角度fft或aoa fft。

6、为了增加雷达阵列元件的有效数量，已经提出了mimo雷达。mimo雷达阵列具有多个物理接收机以及m≥2个物理发射机，并且这产生了具有mrm个元件的虚拟雷达阵列，其中mr是物理接收机的数量。图1a示出了具有两个物理发射机10和四个物理接收机20的示例设置。图1b示出了所生成的虚拟阵列，其中八个虚拟天线元件30的两个子阵列40可以被识别并且被追溯回生成它们的相应的物理发射机。此外，在每个子阵列40内，虚拟天线元件30的空间配置(例如，几何形状、方向)与物理接收机20的空间配置相同，如通过连贯使用的标签a、b、c和d所强调表示的。

7、mimo雷达中的物理发射机可以使用多载波信号(例如，正交频分复用信号)来同步馈送。作为替代方案，为了限制天线结构上的支出并且为了能够从公共信号合成器向所有物理发射机进行馈送，提出了tdm mimo雷达的概念，其中物理发射机以在时间上交替的方式使用。图5图示了具有m＝2个物理发射机的调频连续波(fmcw)型tdm mimo雷达的操作。这里，频率是相对于时间绘制的，其中实线和虚线分别是指从第一和第二物理发射机发射的线性调频信号。符号tc表示线性调频信号长度，tr表示线性调频信号重复时间，并且tf＝mtr表示针对同一发射天线的线性调频信号重复周期。频率轴不一定从原点开始。在具有代表性的毫米波雷达中，每个线性调频信号从77ghz扫描到81ghz，并且持续时间为tc＝40μs。

8、在tdm mimo雷达中，由于被观察对象有时间在来自不同的物理发射机的连续发射之间移动较小的径向距离，因此虚拟天线元件的子阵列将由于相对速度诱导相移而分离。在知道移动对象的径向速度的情况下，可以补偿速度诱导相移(多普勒校正)。这样的补偿可以使得来自tdm mimo雷达的数据适合于aoa计算，如下所示：

9、1.记录针对多个线性调频信号和多个雷达阵列元件的if信号。

10、2.针对每个雷达阵列元件执行两个离散谐波变换，以获得由距离多普勒仓组成的信号。

11、3.选择与场景中的移动对象相对应的一个距离多普勒仓。

12、4.补偿雷达阵列元件之间的相对速度诱导相移(多普勒校正)。

13、5.基于所述补偿后的相移来计算aoa。

14、在没有步骤4(多普勒校正)的情况下，由虚拟接收机测量得到的相位偏移将具有来自相对速度和aoa这两者的贡献。本公开将主要涉及对步骤4的改进。这些改进不仅在确定aoa时有用，而且原则上在从相位补偿后的阵列信号开始的任何计算中有用。

15、可用多普勒校正技术的许多局限性与频率折叠有关。从理论上可以看出，只有当对象的径向速度|v|小于：

16、

17、时，雷达数据才使得移动对象的径向速度能够被明确地确定。其中fd，max表示最大多普勒频率，并且fc是代表性载波频率，例如雷达线性调频信号的中心频率。如果移动对象具有更高的向内或向外的径向速度，那么，由于频率折叠(或混叠)，雷达将观察到具有已位移了作为整数倍的2fd，max的表观多普勒频率的移动对象。这被图示在图6的上半部分中，其中向上箭头表示针对以不同速度vξ移动的四个对象的距离多普勒频谱中的振幅峰值，对应于四个不同的多普勒频率fd，ξ＝fd+2ξfd，max，其中ξ＝-1，0，1，2。尽管这些速度是不同的，但雷达中的频率折叠将使所有的四个多普勒频率峰值都位移到基本周期|f|≤fd，max中，其中它们将出现在fd。相反，由于使用该雷达而观测到的任何振幅峰值都将出现在基本周期|f|≤fd，max中，因此真实多普勒频率从一开始就是模糊的。解决这种相位模糊——概念上是消除频率折叠——对于确定真实多普勒频率，并且因此对于确定移动对象的速度是至关重要的。

18、频率折叠也限制tdm mimo雷达的实用性，即，因为雷达阵列元件之间的相对速度诱导相移只能被明确地补偿到最大多普勒频率fd，max。在具有以线性调频信号重复时间tr操作的m个物理发射机的tdm mimo雷达中，最大多普勒频率由下面给出：

19、

20、由此：

21、

22、将参考图6的下半部分来解释这会如何影响以速度|v|>vmax移动并由具有m＝4的子阵列的tdm mimo雷达所成像的对象。序列tx1、tx2、tx3、tx4是指操作物理发射机时的发射调度，并且m＝1,2,3,4是子阵列索引。所绘制的量是在已经应用了基于表观多普勒频率的补偿之后的相位。

23、如图6所示，在ξ＝0的参考情况下，基本周期|f|≤fd,max中的表观多普勒频率与真实多普勒频率一致。当ξ＝0时，事实上，没有发生频率折叠，并且可以明确地检测速度。在图6的下半部分中可以看出，对象的相位从一个虚拟阵列元件稳定地增长到下一虚拟阵列元件，在子阵列之间的三个边界处也一样。补偿后的相位稳定地增长，因为aoa在虚拟天线阵列的平面中为非零，这导致了路径差；这些aoa诱导相移与被观察对象的径向速度无关。对于移动速度更快的对象(ξ≠0)，此稳定的相位增长伴随着在连续子阵列之间的每个边界(实心垂直线)处的附加相位偏移：

24、

25、归纳方程式(4)，从第1至第mth子阵列的相位偏移由下式给出：

26、

27、并且具有索引m′和m的子阵列之间的相位偏移等于：

28、

29、该相位偏移是在基于表观多普勒频率补偿了相对速度诱导相移之后所剩余的。相位偏移可以用针对一个距离多普勒仓的虚拟阵列信号的离散傅立叶变换(dft)(被表示为s(f))的形式来描述。更准确地说，相位偏移是使针对在真实多普勒频率下估计出的第mth子阵列的该dft与在表观多普勒频率下估计出的同一dft相关联的相位旋转：

30、

31、其中|fd|≤fd,max。如在第二aoa算法的步骤4中，对相对速度诱导相移的补偿将有效地减去分离了不同子阵列的速度诱导相移。在相位补偿之后，子阵列之间的(折叠诱导)相位偏移仍然保留在虚拟阵列信号中，这使得它不能用于aoa计算。除了真实多普勒频率已知的特殊情况之外，不能先验地计算相位偏移(6)。相反，必须通过近似方法或者通过使用关于移动对象的补充数据来解决相位模糊。

32、在相对速度诱导相移已被补偿之后，相位偏移仍被保留在信号中，这一事实可以被可替代地理解为，这是移动对象的速度不确定性的结果。

33、为了解决相位模糊，一种选择是在虚拟阵列中包括空间重叠的虚拟天线元件。这可以通过协调物理发射机的间距与物理接收机的几何形状来实现。在图1a的示例中，如果物理发射机10(tx1)、10(tx2)的隔开距离l2减小到仅为3d个单位，则在图1b中，第一子阵列40(tx1)中的虚拟天线元件d将与第二子阵列40中(tx2)的虚拟天线元件a重合。通过强制使得重叠的虚拟天线元件具有相等的相位，可以推断出两个子阵列40(tx1)、40(tx2)之间的正确相位偏移。然而，从硬件角度来看，这种方法可能非常繁重，因为重叠对中的第二虚拟天线元件将不供应除第一虚拟天线元件之外的任何数据，因此将不会有助于获得更好的分辨率。

34、f.roos、j.bechter、n.appenrodt、j.dickmann和c.waldschmidt的研究论文“线性调频信号序列调制tdm-mimo雷达的多普勒不模糊性增强”(2018ieee mtt-s智能移动微波国际会议(icmim)、2018、第1-4页、doi：10.1109/icmim.2018.8443352)报告了测量和模拟，其中来自具有m＝2个子阵列的虚拟阵列的数据在|ξ|＝1的情况下被成功地拟合到相位偏移方程式(5)。roos等人希望在有可靠相位数据的情况下使用这种直接方法，以基于来自具有更多个子阵列的虚拟阵列的数据来估计ξ。

35、专利申请us20210293949a1描述了一种方法，其中在根据各自的速度折叠假设应用了不同的、可相互替代的相位补偿之后，最初使用来自全虚拟阵列的数据来估计多个暂定aoa值。在许多汽车应用中，如在us20210293949a1中所考虑的那些应用中，速度折叠假设的总数(即，要尝试的ξ参数的值)是可管理的，因为考虑到规定速度限制等，可以事先排除掉非常多的假设。此外，仅使用来自虚拟阵列中的单个子阵列的数据来估计参考aoa值。基于较小的数据集，参考aoa值将不太准确，但肯定不会受到频率折叠伪影的影响。从暂定aoa值中，将选择出与参考aoa最匹配的值，并且这就是该方法的输出。

36、专利us10627483b2是基于这样一种实现的，即在相位补偿后的虚拟阵列信号的相位中引入的误差在角度fft频谱中产生了独特的特征。例如，角度fft频谱可以包括由一个对象导致的两个峰值，这两个峰值通过特征角度(例如，3π/8弧度)被分离。这些特征被检测到，并且被用于校正其中|v|已经超过最大可明确检测速度vmax的情况。此外，us10627483b2描述了一种用于去除雷达阵列元件之间的相对速度诱导相移的相位补偿方法(或多普勒校正方法)。

技术实现思路

1、本公开的一目的在于，提供一种用于解决tdm mimo fmcw雷达的虚拟阵列中的子阵列之间的相位模糊的计算上有效的方法。另一个目的在于，提出这样一种具有可配置准确度的方法，以便实施者可以根据需要选择在准确性与计算工作量之间取得平衡。另一个目的在于，提出这样一种适用于具有两个或更多个物理发射机的雷达的方法。另一个目的在于，提出一种基于来自虚拟雷达阵列的数据来估计一维或二维到达角的方法。还有一个目的在于，提供一种用于解决相位模糊的信号处理设备以及计算机程序。

2、这些目的中的至少一些是通过由独立权利要求限定的本发明来实现的。从属权利要求涉及到本发明的优选实施例。

3、在第一方面中，提供了一种用于解决tdm mimo fmcw雷达的虚拟阵列中的子阵列之间的相位模糊的方法，该tdm mimo fmcw雷达包括物理接收机阵列和多个物理发射机。物理接收机阵列包括：至少一行物理接收机，在第一方向上具有第一间距l1；以及物理发射机，在相同的第一方向上以第二间距l2布置。通常，可以在不知道第一间距l1和第二间距l2的数值的情况下执行本方法。虚拟阵列中的子阵列中的每个子阵列由物理接收机的阵列与物理发射机中的一个的组合生成(或合成)。该方法开始于，获得与具有移动对象的场景相关的距离多普勒仓的虚拟阵列信号。距离多普勒仓可以被描述为，距离多普勒频谱中的与范围区间和速度区间的组合相对应的一个元素。虚拟阵列信号包括针对虚拟阵列的每个虚拟天线元件的距离多普勒仓的一个值。接下来，使用任何适当的相位补偿方法来补偿虚拟阵列信号的速度诱导相移，并且获得补偿后的虚拟阵列信号作为输出。如果移动对象的速度超过阈值，则相位补偿方法在子阵列之间引入了相位模糊。该阈值是物理常数，而不是用户配置的值；它可以等于针对单个子阵列估计出的最大明确可检测速度vmax或者与其成比例。该方法进一步包括：针对多个子阵列中的每个子阵列，计算补偿后的虚拟阵列信号中的与由属于同一行的物理接收机生成的连续虚拟天线元件相对应的那些元素的频谱。共同地识别所述多个子阵列的频谱的振幅峰值频率(即，振幅是局部最大或全局最大时的频率)。此外，所述多个子阵列内的子阵列对之间的残余相移是例如通过比较频谱的在振幅峰值频率处的各个相位来确定的。然后可以将残余相移的逆应用于补偿后的虚拟阵列信号。

4、所提出的用于解决子阵列之间的相位模糊的方法是有效的，因为存在用于特别是从离散数据中计算频谱的专用硬件设备和软件例程。这允许考虑来自大量虚拟天线元件(例如，一整行子阵列)的数据，这有利于该方法的准确性。成功执行该方法而得到的输出数据是没有速度诱导相移且没有折叠诱导的残余相移(或相位偏移)的虚拟阵列信号。因此，输出数据适合用于计算，就好像虚拟阵列信号是由具有相等数量天线元件的物理阵列收集的一样。

5、在一些实施例中，识别振幅峰值频率包括：确定两个频谱各自的振幅部分的总和中的主振幅峰值的频率。该总和是指函数的总和，即，振幅部分是逐频率仓求和的。这些实施例通常易于实现，并且它们会稳健地执行。

6、在其他实施例中，识别振幅峰值频率包括：确定与各个频谱的振幅部分中的每一个中的主振幅峰值或非主振幅峰值相对应的频率。主振幅峰值可以被描述为频谱的全局振幅最大值；非主振幅峰值可以是不为全局振幅最大值的局部振幅最大值。这些实施例可以被稍微更精细一些地实现——包括将局部振幅最大值识别为主峰值还是非主峰值的决策以及不同频谱之间的协调——但不太容易捕捉伪影。这个意义上的伪影可以是振幅波动，它不是从感兴趣的移动对象离开的反射。

7、在一些实施例中，确定残余相移包括：计算频谱的在振幅峰值频率处的各个相位之间的差。

8、在一些实施例中，其中虚拟阵列的虚拟天线元件在第一方向上等距(也跨越子阵列边界)，所述确定残余相移进一步包括：将频谱的各个相位之间的差四舍五入为2π/m的倍数，其中m是物理发射机的数量。例如，如果l2/l1等于物理接收机的数量mr，则可以确保虚拟天线元件的等距。等距的间距倾向于简化其中使用了该方法的输出数据的后期计算，尤其是对于aoa估计。准确地说，m是在第一方向上具有隔开距离的物理发射机的数量，并且mr是在第一方向上具有隔开距离的物理接收机的数量。

9、在一些实施例中，其中对于在第一方向上均匀隔开的多个子阵列对，比较频谱的在振幅峰值频率处的各个相位，将残余相移确定为所有所述子阵列对的平均值。其中使用了来自多于子阵列对的数据的这些实施例代表着可选的准确性改进；更好的准确性是否证明了额外的计算工作量是合理的，这取决于每个实施者。附加地或可替代地，当子阵列在第一方向上具有多行时，即通过针对这些行中的每一行执行计算频谱并识别振幅峰值频率的步骤，可以获得可选的更进一步的准确性改进，之后将残余相移确定为所有行的平均值。

10、一些实施例的目标在于如下的情况，其中物理接收机阵列包括在第二方向上具有第三间距l3的至少一列物理接收机，并且其中物理发射机在所述第二方向上以第四间距l4布置。需要注意的是，术语“行”和“列”不是指绝对方向，而是纯理论上的命名约定。在这些实施例中，该方法进一步包括：针对第二多个子阵列中的每个子阵列，计算补偿后的虚拟阵列信号中的与由属于同一列的物理接收机生成的连续虚拟天线元件相对应的那些元素的频谱；共同地识别所述第二多个子阵列的频谱的第二振幅峰值频率；通过比较频谱的在振幅峰值频率处的各个相位来确定所述多个子阵列内的第二子阵列对之间的第二残余相移；以及将第二残余相移的逆应用于补偿后的虚拟阵列信号。在这些实施例中，确定并消除了由多普勒效应导的在第二空间坐标中上的残余相移。总体方法的输出数据将适用于二维的aoa计算，例如，返回aoa的方位角分量和仰角分量。

11、可以预见，在一些实施例中，要确定针对虚拟阵列的所有剩余子阵列的残余相移，并应用其逆。相应地，得到的虚拟阵列信号将不受速度诱导相移和(折叠诱导)残余相移的影响。

12、在一些实施例中，提供了一种基于由tdm mimo fmcw雷达的虚拟阵列捕获的距离多普勒仓的虚拟阵列信号来计算移动对象的到达角的方法。该方法包括：使用以上所述的方法来处理虚拟阵列信号；以及基于处理后的虚拟阵列信号来计算到达角。

13、在本发明的第二方面中，提供了一种用于具有虚拟阵列的tdm mimo fmcw雷达的信号处理设备，其中，tdm mmimo fmcw雷达包括包含在第一方向上具有第一间距的至少一行物理接收机的物理接收机阵列，并且进一步包括在所述第一方向上以第二间距布置的多个物理发射机，其中虚拟阵列包括子阵列，每个子阵列由物理接收机阵列和物理发射机中的一个物理发射机的组合生成。信号处理设备包括处理电路，处理电路被配置为，通过执行上述方法来解决在包括至少一个距离多普勒仓的虚拟阵列信号中的虚拟阵列的子阵列之间的相位模糊。

14、根据第二方面的信号处理设备通常共享第一方面的优点，并且它可以以同等程度的技术变化来实现。

15、本发明进一步涉及一种包含指令的计算机程序，所述指令用于使计算机或者特别是信号处理设备执行上述方法。计算机程序可以存储或分布在数据载体上。如本文中所使用的，“数据载体”可以是暂时性数据载体(例如，调制的电磁波或光波)或者是非暂时性数据载体。非暂时性数据载体包括易失性和非易失性存储器，例如磁性、光学或固态类型的永久性和非永久性储存介质。仍然在“数据载体”的范围内，这种存储器可以是固定安装的或者是便携式的。

16、通常，权利要求中使用的所有术语都应根据它们在技术领域中的普通含义来进行解释，除非本文另有明确限定。除非另有明确说明，否则所有的对“一/一个/该元素、装置、部件、手段、步骤等”的引用都应被公开解释为，是指该元素、装置、部件、收单、步骤等的至少一个实例。除非明确说明，否则本文中公开的任何方法的步骤都不必按所描述的确切顺序来执行。