技术领域
本发明涉及雷达技术领域,尤其涉及一种MIMO雷达目标测角方法、装置、电子设备及存储介质。
背景技术
目前车载、交通雷达多采用多芯片级联MIMO(Multiple-Input Multiple-Output,多输入多输出)技术,可在方位角和俯仰角维度上实现高分辨率,并提供高质量的三维点云图像,极大的扩展了车载、交通雷达的应用场景。其中,阵列设计及测角方法是多芯片级联MIMO雷达系统设计的关键。为了有效降低高分辨雷达的测角复杂度,并获得准确的测角结果,本发明提供了一种MIMO雷达目标测角方法。
发明内容
本发明提供一种MIMO雷达目标测角方法、装置、电子设备及存储介质,用以解决现有技术中雷达缺少俯仰角观测及获得准确的测角结果的问题。
第一方面,本发明实施例提供一种MIMO雷达目标测角方法,所述方法包括:
根据预设的发射天线数量、接收天线数量、方位角分辨率、俯仰角分辨率、方位向FOV以及俯仰FOV构建方位向虚拟线阵、俯仰向虚拟线阵以及包含目标方位角信息和俯仰角信息的角度匹配阵列;
从所述方位向虚拟线阵、俯仰向虚拟线阵以及角度匹配阵列获取方位向通道数据、俯仰向通道数据以及角度匹配阵列通道数据,并基于所述方位向通道数据和俯仰向通道数据分别进行方位角度估计和俯仰角度估计,得到方位角度集合和俯仰角度集合;
对所述方位角度集合中的角度元素和所述俯仰角度集合中的角度元素进行组合,得到至少一组联合角度;
基于所述角度匹配阵列通道数据对所述至少一组联合角度进行匹配判断,以得到与目标相对应的方位角度和俯仰角度。
在本发明一个实施例中,根据预设的发射天线数量、接收天线数量、方位角分辨率、俯仰角分辨率、方位向FOV以及俯仰FOV构建方位向虚拟线阵、俯仰向虚拟线阵以及包含目标方位角信息和俯仰角信息的角度匹配阵列包括:
根据所述预设的方位角分辨率和俯仰角分辨率,分别计算出所述方位向虚拟线阵孔径和俯仰向虚拟线阵孔径;
根据所述方位向FOV确定表示所述方位虚拟线阵的阵元位置间距的第一阵元间距,并根据所述俯仰FOV确定表示俯仰虚拟线阵的阵元位置间距的第二阵元间距;
基于所述第一阵元间距、所述第二阵元间距、所述方位向虚拟线阵孔径以及所述俯仰向虚拟线阵孔径,确定方位向虚拟阵元个数及俯仰向虚拟阵元个数;
基于所述发射天线数量、所述发射天线数量确定虚拟阵列的最大虚拟阵元个数,所述最大虚拟阵元个数为所述发射天线数量与所述发射天线数量的乘积;
基于所述虚拟阵列的最大虚拟阵元个数及所述方位向虚拟阵元个数及俯仰向虚拟阵元个数,确定虚拟阵列的冗余阵元个数;
基于所述冗余阵元个数和利用冗余阵元设计所述角度匹配矩阵。
在本发明一个实施例中,所述根据所述预设的方位角分辨率和俯仰角分辨率,分别计算出所述方位向虚拟线阵孔径和俯仰向虚拟线阵孔径包括:
根据下式计算所述方位向虚拟线阵孔径和俯仰向虚拟线阵孔径:
其中,Lazimuth表示方位向虚拟线阵孔径,Lpitch表示俯仰向虚拟线阵孔径,λ表示波长,Δθ1表示预设的方位角分辨率,Δθ2表示预设的俯仰角分辨率、θ1是预设的方向角度值、θ2是预设的俯仰角度值。
在本发明一个实施例中,所述基于所述第一阵元间距和所述第二阵元间距确定方位向视角以及俯仰向视角包括:
根据下式确定所述第一阵元间距和所述第二阵元间距:
其中,FOVazimuth表示方位向视角范围,|FOVazimuth|表示FOVazimuth最大的正方位角,FOVelevation表示俯仰向视角范围,|FOVelevation|表示FOVelevation最大的正俯仰角,λ表示波长,xbase表示第一阵元间距,ybase表示第二阵元间距。
在本发明一个实施例中,所述从所述方位向虚拟线阵、俯仰向虚拟线阵以及角度匹配阵列获取方位向通道数据、俯仰向通道数据以及角度匹配阵列通道数据包括:
获取采集到的一帧回波数据;
根据所述一帧回波数据区分各通道数据;
针对每个通道,将对应于该通道的数据进行距离-多普勒成像处理,得到对应于该通道的距离多普勒图像;
对所述各通道数据对应的距离多普勒图像分别进行非相干积累和恒虚警检测处理,得到与至少一个目标相对应的距离多普勒单元;
获取每个所述距离多普勒单元对应的方位向通道数据、俯仰向通道数据以及角度匹配阵列通道数据。
在本发明一个实施例中,所述基于所述方位向通道数据和俯仰向通道数据分别进行方位角度估计和俯仰角度估计,得到方位角度集合和俯仰角度集合包括:
根据所述第一阵元间距计算方位导向矢量,并将所述方位导向矢量和所述方位向通道数据进行数字波束形成处理,得到方位角度谱;或者将所述方位向通道数据直接进行傅立叶变换处理,得到方位角度谱;
对所述方位角度谱进行恒虚警检测,得到所述方位角度集合。
在本发明一个实施例中,所述基于所述方位向通道数据和俯仰向通道数据分别进行方位角度估计和俯仰角度估计,得到方位角度集合和俯仰角度集合还包括:
根据所述第二阵元间距计算俯仰导向矢量,并将所述俯仰导向矢量和所述俯仰向通道数据进行数字波束形成处理,得到俯仰角度谱;或者将所述俯仰向通道数据直接进行傅立叶变换处理,得到俯仰角度谱;
对所述俯仰角度谱进行恒虚警检测,得到所述俯仰角度集合。
在本发明一个实施例中,所述基于所述角度匹配阵列通道数据对所述至少一组联合角度进行匹配判断,以得到与目标相对应的方位角度和俯仰角度包括:
在所述至少一组联合角度的数量等于所述方位角度集合的元素和俯仰角度集合的元素随机匹配得到的不同联合角度的数量的情况下,确定每个联合角度对应一个目标;
在所述至少一组联合角度的数量大于所述方位角度集合的元素数量和俯仰角度集合的元素数量两者中的最大值的情况下,执行如下操作:
确定所有联合角度关联集合,每个联合角度关联集合包括相关联的联合角度组合,每个联合角度组合包含两个联合角度;
针对每个联合角度组合,将该联合角度组合中每个联合角度的方位角和俯仰角同时代入角度匹配阵列的导向矢量表达式中,得到该联合角度组合对应的导向矢量;
针对每个联合角度组合,将其对应导向矢量与角度匹配阵列的通道数据进行角度域数字波束形成处理;
针对每个联合角度关联集合,将该集合中联合角度组合对应的数字波束形成结果进行求和,将和值更大的联合角度集合中的两个联合角度指示的方位角和俯仰角分别作为对应的两个目标的方位角和俯仰角。
在本发明一个实施例中,所述角度匹配阵列的导向矢量表达式由下式确定:
α(θ,φ)=exp(j·2π·(DAzi·sinθ+DEle·sinφ)/λ);
其中,α(θ,φ)表示导向矢量,θ表示方位角,φ表示俯仰角,DAzi表示方位向物理间距,DEle表示俯仰向物理间距,λ表示波长,j表示相位的复数标志。
在本发明一个实施例中,所述方位向物理间距DAzi和所述俯仰向物理间距DEle由下式表示:
其中,K表示角度匹配阵列的阵元个数,d1表示角度匹配阵列映射在方位向的阵元间距,d2表示角度匹配阵列映射在俯仰向的阵元间距。
在本发明一个实施例中,根据下式进行所述角度域数字波束形成积累处理:
W=conj(α(θ,φ))*DataK;
其中,W表示角度域数字波束形成的结果,conj表示取共轭操作,DataK表示所述角度匹配阵列的通道数据。
第二方面,本发明还提供一种MIMO雷达目标测角装置,所述装置包括:
阵列构建模块,用于根据预设的发射天线数量、接收天线数量、方位角分辨率、俯仰角分辨率、方位向FOV以及俯仰FOV构建方位向虚拟线阵、俯仰向虚拟线阵以及包含目标方位角信息和俯仰角信息的角度匹配阵列;
估计模块,用于从所述方位向虚拟线阵、俯仰向虚拟线阵以及角度匹配阵列获取方位向通道数据、俯仰向通道数据以及角度匹配阵列通道数据,并基于所述方位向通道数据和俯仰向通道数据分别进行方位角度估计和俯仰角度估计,得到方位角度集合和俯仰角度集合;
组合模块,用于对所述方位角度集合中的角度元素和所述俯仰角度集合中的角度元素进行组合,得到至少一组联合角度;
匹配模块,用于基于所述角度匹配阵列通道数据对所述至少一组联合角度进行匹配判断,以得到与目标相对应的方位角度和俯仰角度。
第三方面,本发明还提供一种电子设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述程序时实现如上述第一方面任一种所述MIMO雷达目标测角方法的步骤。
第四方面,本发明还提供一种非暂态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如上述第一方面任一种所述MIMO雷达目标测角方法的步骤。
在本发明提供的MIMO雷达目标测角方法、装置、电子设备及存储介质,当雷达系统检测得到目标所在位置存在着多个方位角度和俯仰角度时,通过构建角度匹配阵列对不同的方位角度、俯仰角度组合进行判断,从而可以准确得到目标所对应的方位角度和俯仰角度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,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实施方式。
图1是本发明实施例提供的目标测角方法的流程示意图;
图2(A)是本发明实施例提供的构建角度匹配阵列的流程示意图;
图2(B)为本发明实施例提供的阵列示意图;
图3是本发明实施例提供的角度匹配阵列进行匹配判断的流程示意图;
图4是本发明实施例提供的距离-多普勒图像的示意图;
图5是本发明实施例提供的50米的方位向角度谱和俯仰向角度谱的示意图;
图6是本发明实施例提供的70米的方位向角度谱和俯仰向角度谱的示意图;
图7是本发明实施例提供的85米的方位向角度谱和俯仰向角度谱的示意图;
图8是本发明实施例提供的真实目标与检测目标的三维位置坐标的示意图;
图9是本发明实施例提供的目标测角装置的示意图;
图10是本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明中的附图,对本发明中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作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。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语 " 第一 " 、 " 第二 " 等是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换,以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。
以下对本发明涉及的技术术语进行描述:
MIMO(Multiple-Input Multiple-Output,多输入多输出)技术是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线,使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收,从而改善通信质量。其能充分利用空间资源,通过多个天线实现多发多收,在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下,可以成倍的提高系统信道容量,MIMO技术应用于雷达中显示出明显的优势,成为目前雷达技术的研究热点。
本发明所述目标测角方法、装置及电子设备,可应用于MIMO雷达,MIMO雷达是将无线通信系统中的多输入多输出技术引入到雷达领域,并和数字阵列技术相结合而产生的一种新体制雷达。
在本发明提供的MIMO雷达目标测角方法、装置、电子设备及存储介质,当雷达系统检测到目标所在位置存在着多个方位角度和俯仰角度时,通过构建的角度匹配阵列对不同的方位角度、俯仰角度组合进行判断,从而得到与目标相对应的方位角度和俯仰角度。
下面结合图1-图10描述本发明的MIMO雷达目标测角方法、装置、电子设备及存储介质。
请参阅图1,图1是本发明实施例提供的目标测角方法的流程示意图,本发明实施例提供的一种MIMO雷达目标测角方法,所述方法包括:
步骤101,根据预设的发射天线数量、接收天线数量、方位角分辨率、俯仰角分辨率、方位向FOV以及俯仰FOV构建方位向虚拟线阵、俯仰向虚拟线阵以及包含目标方位角信息和俯仰角信息的角度匹配阵列。
示例性地,构建角度匹配阵列的目的用于对雷达系统检测到同距同速多目标时,将不同组合的方位角度和俯仰角度与对应的目标进行匹配。由于雷达系统检测到同距同速的目标会存在多个的情况下,几个目标在距离-多普勒图像(Range-Doppler Image)中处于同一距离多普勒单元的位置,因此需要通过方位角度和俯仰角度的差异来区分不同的目标。
例如,雷达系统检测到同距同速的两个目标(A和B)时,那么可以通过两个目标对应的方位角度和俯仰角度来区分目标A和目标B,即通过所述角度匹配阵列进行匹配判断,以得到与目标A相对应的方位角度和俯仰角度,以及得到与目标B相对应的方位角度和俯仰角度。
步骤102,从所述方位向虚拟线阵、俯仰向虚拟线阵以及角度匹配阵列获取方位向通道数据、俯仰向通道数据以及角度匹配阵列通道数据,并基于所述方位向通道数据和俯仰向通道数据分别进行方位角度估计和俯仰角度估计,得到方位角度集合和俯仰角度集合。
示例性地,假设在角度估计中获得方位角度集合为[θ1,θ2,...,θN],俯仰角度集合为由此可以获得MN种联合角度。
例如,以同距同速目标至多为两个为例(实际上存在两个以上的同距同速目标的情况)进行说明:
可能性1:方位角度估计个数为1,对应方位角表示为θ1,俯仰角度估计个数为1,对应俯仰角表示为则视为对应一个目标的联合角度。
可能性2:方位角度估计个数为2,对应方位角集合为[θ1,θ2],俯仰角度估计个数为1,对应俯仰角表示为则和视为两个目标的联合角度。
可能性3:方位角度估计个数为1,对应方位角表示为θ1,俯仰角度估计个数为2,对应俯仰角表示为则和视为两个目标的联合角度。
可能性4:方位角度估计个数为2,对应方位角表示为[θ1,θ2],俯仰角度估计个数为2,对应俯仰角表示为则两个目标可能的联合角度组合有和或者和
需要说明的是,关于联合角度关联集合、联合角度组合以及联合角度的概念举例说明:联合角度关联集合(以及);联合角度组合(和),或者联合角度组合(和);联合角度或者联合角度或者联合角度或者联合角度
由此可见,方位角度和俯仰角度组合的个数与方位角度集合和俯仰角度集合有关。
步骤103,对所述方位角度集合中的角度元素和所述俯仰角度集合中的角度元素进行组合,得到至少一组联合角度。
示例性地,如果是得到一组的方位角度和俯仰角度,那么就是上述可能性1的情况,这种情况是不需要进行利用角度匹配阵列进行匹配判断。只有得到至少一组以上的方位角度和俯仰角度的联合角度时,才需要利用角度匹配阵列对所述组合进行匹配判断。所述组合的示例可参照上述对可能性1~可能性4的描述。
步骤104,基于所述角度匹配阵列通道数据对所述至少一组联合角度进行匹配判断,以得到与目标相对应的方位角度和俯仰角度。
示例性地,利用角度匹配阵列对不同方位角度、俯仰角度的联合角度进行匹配判断,从而得到与目标相对应的方位角度和俯仰角度。
例如,假设上述可能性4中:方位角度估计个数为2,对应方位角表示为θ1,θ2(10.74,25.77),俯仰角度估计个数为2,对应俯仰角表示为(-2.236,6.273),则两个目标可能的联合角度有:以及即[10.74,-2.236],[25.77,6.273],[10.74,6.273],[25.77,-2.236]。然后通过所述角度匹配阵列对不同方位角度、俯仰角度的联合角度进行匹配判断,假设最后得到[10.74,-2.236]和[25.77,6.273]为同距同速目标角度匹配后两个目标的结果,即其中一个目标的方位角度和俯仰角度是[10.74,-2.236],另外一个目标的方位角度和俯仰角度是[25.77,6.273]。
以下针对上述步骤101~步骤104进行具体描述。
请参考图2(A),图2(A)是本发明实施例提供的构建角度匹配阵列的流程示意图。上述步骤101中,所述根据预设的发射天线数量、接收天线数量、方位角分辨率、俯仰角分辨率、方位向FOV以及俯仰FOV构建方位向虚拟线阵、俯仰向虚拟线阵以及包含目标方位角信息和俯仰角信息的角度匹配阵列包括:
步骤1011,根据所述预设的方位角分辨率和俯仰角分辨率,分别计算出所述方位向虚拟线阵孔径和俯仰向虚拟线阵孔径。
由于基阵的角度分辨力受到基阵孔径的限制,所以可通过虚拟阵列扩展技术构造虚拟阵元位置处的信号或信息,扩展阵列孔径,提高角度分辨力。虚拟阵列技术是指通过某些技术手段,包括构造特定的阵列结构模型、用数学方法处理接收的信号源、对阵列进行虚拟变换等,以达到扩展原阵列孔径或者增加阵元数目等目的。
从阵列虚拟扩展方法可得,虚拟扩展阵列的信号数据其实和实际阵列的接收数据模型相同,而两者的主要区别是阵列噪声。也就是说,当阵列虚拟扩展时,扩展阵元上的噪声是由基阵噪声生成的。由于扩展阵列的波束方向图具有更窄的主瓣和更低的旁瓣,因而,虚拟扩展阵列对空间噪声的抑制更强于基阵。因此,由综合阵列虚拟扩展前后信号和噪声的变化,可以得出阵列虚拟扩展能够有效地提高源信号的输出信噪比。
示例性地,本发明所述方位向角度匹配阵列孔径也可称为方位向虚拟线阵孔径,所述俯仰向角度匹配阵列孔径也可称为俯仰向虚拟线阵孔径。
示例性地,根据下式计算所述方位向虚拟线阵孔径和俯仰向虚拟线阵孔径:
其中,Lazimuth表示方位向虚拟线阵孔径,Lpitch表示俯仰向虚拟线阵孔径,λ表示波长,Δθ1表示预设的方位角分辨率,Δθ2表示预设的俯仰角分辨率、θ1是预设的方向角度值、θ2是预设的俯仰角度值。
步骤1012,根据所述方位向FOV确定表示所述方位虚拟线阵的阵元位置间距的第一阵元间距,并根据所述俯仰FOV确定表示俯仰虚拟线阵的阵元位置间距的第二阵元间距。
示例性地,可通过评估发射天线、接收天线资源,对方位向及俯仰向进行天线资源分配以确定方位向线阵孔径及俯仰向线阵孔径,并进一步确定阵元间距(也可称为 " 天线间距 " )以及方位向视角范围(Field of view,简称FOV)以及俯仰向视角范围(Field ofview,简称FOV)。
步骤1013,基于所述第一阵元间距、所述第二阵元间距、所述方位向虚拟线阵孔径以及所述俯仰向虚拟线阵孔径,确定方位向虚拟阵元个数及俯仰向虚拟阵元个数。
示例性地,根据下式确定所述第一阵元间距和所述第二阵元间距:
其中,FOVazimuth表示方位向视角范围,|FOVazimuth|表示FOVazimuth最大的正方位角,FOVelevation表示俯仰向视角范围,|FOVelevation|表示FOVelevation最大的正俯仰角,λ表示波长,xbase表示第一阵元间距(也可称为 " 方位向虚拟阵列的单位基线长度 " ),ybase表示第二阵元间距(也可称为 " 俯仰向虚拟阵列的单位基线长度 " )。
例如,假设波长为λ=3.92mm,上述基线长度为xbase=1.96mm,ybase=7.8mm,因此计算可得方位线阵和俯仰线阵的方位向FOV和俯仰向FOV为:
根据雷达应用场景的指标要求,可对上述方位向的基线长度和俯仰向的基线长度进行设计,但需考虑栅瓣及旁瓣对阵列测角性能的影响。
一般阵列天线都由两个或多个基本辐射源构成,也即是合成天线。每一个辐射源称作一个阵元。最大辐射波束叫做主瓣,主瓣旁边的小波束叫做旁瓣。天线辐射方向图通常都有两个或多个瓣,其中辐射强度最大的瓣称为主瓣,其余的瓣称为副瓣或旁瓣。
除主瓣以外在其他方向会因场强同相叠加形成强度与主瓣相仿的辐射瓣,称之为栅瓣。栅瓣占据了辐射能量,使天线增益降低。从栅瓣看到的目标与主瓣看到的目标易于混淆,导致目标位置模糊。干扰信号从栅瓣进入接收机将影响通信系统的正常工作。因此应合理地选择天线的阵元间距避免出现栅瓣。
步骤1014,基于所述发射天线数量、所述发射天线数量确定虚拟阵列的最大虚拟阵元个数。
其中,最大虚拟阵元个数=发射天线数量*发射天线数量。
步骤1015,基于所述虚拟阵列的最大虚拟阵元个数及所述方位向虚拟阵元个数及俯仰向虚拟阵元个数,确定虚拟阵列的冗余阵元个数,并基于所述冗余阵元个数和利用冗余阵元设计所述角度匹配矩阵。
图2(B)为本发明实施例提供的阵列示意图,从图2(B)可知,方位线阵、俯仰线阵、角度匹配阵列是相互独立的。本发明所述角度匹配矩阵不局限于图2(B)示出的形式,还可以是非均匀的,但应保证角度匹配矩阵为线阵,即阵元分布在一条直线上。
示例性地,基于所述阵元间距、所述方位向视角以及所述俯仰向视角,也可在方位向及俯仰向上分别构建出相应孔径的均匀线阵。
示例性地,所述角度匹配阵列为2维的均匀线阵,用于同距同速多目标的方位角度、俯仰角度的匹配。
需要说明的是,MIMO雷达可在接收端形成奈奎斯特虚拟阵列,大大提高阵列的有效孔径。虚拟阵列不是真实的,是等效的阵列,是通过一定的数学方法配合工程时间来实现的。虚拟孔径的目的是提高信噪比,也就是提高雷达的检测能力。由于常规的阵列的角度分辨率由阵列孔径决定,因此如果需要提高角度分辨率到2倍,那么则需要2倍于原来阵列的长度,但为了节省成本,可通过虚拟阵列(即角度匹配阵列)来实现。
以下对上述步骤102进行具体描述。
上述步骤102中,所述从所述方位向虚拟线阵、俯仰向虚拟线阵以及角度匹配阵列获取方位向通道数据、俯仰向通道数据以及角度匹配阵列通道数据包括:
步骤1021,获取采集到的一帧回波数据。
经过编码的发射信号通过雷达发射天线辐射到空间,当电磁波遇到目标发生反射所产生的回波信号通过雷达接收天线到达雷达接收机,经过雷达接收机处理后再送到信号处理机进行处理,可获得目标相关参数,例如距离、方位、速度和形状等。
示例性地,可采用单个脉冲实时采集和处理技术,对被测目标的回波信号进行单个脉冲的实时数据采集,并把采集的数据结果实时存储在计算机的磁盘中,在采集结束后对单个脉冲实时采集数据进行事后数据处理。
步骤1022,根据所述一帧回波数据区分各通道数据。
示例性地,对一帧的回波数据进行采集后,对所述角度匹配阵列对应的通道数据进行排序,得到方位向、俯仰向以及所述角度匹配阵列对应的通道编号,以区分各通道数据。
步骤1023,针对每个通道,将对应于该通道的数据进行距离-多普勒成像处理,得到对应于该通道的距离多普勒图像。
其中,距离-多普勒(Range-Doppler,RD)成像算法是对目标进行距离、多普勒分析的常用方法,通过对距离维(快时间)回波数据进行FFT(fast Fourier transform,快速傅里叶变换)处理,然后对多普勒维(慢时间)回波数据进行FFT处理,最终获得的二维RD图中,目标在相应距离多普勒单元位置的幅度明显高于其他距离多普勒单元,其距离多普勒单元则对应了目标的距离、速度信息。
步骤1024,对所述各通道数据对应的距离多普勒图像分别进行非相干积累和恒虚警检测处理,得到与至少一个目标相对应的距离多普勒单元。
其中,雷达的单个脉冲能量有限,通常不采用单个接收脉冲来进行检测判断,在判断前,需要对多个脉冲进行处理,以提高信噪比,这种基于多个脉冲的处理方法即为积累。
积累方法分为相干和非相干积累,相干积累即利用接收脉冲之间的相位关系,将信号的幅度叠加,这种方法的好处是可以把所有雷达回波能量直接相加。非相干积累则在取信号包络之后进行,在此时丢掉了复信号的信息,只保留了模值,没有了严格的相位关系。
其中,恒虚警检测(Constant False-Alarm Rate,CFAR)是雷达系统在保持虚警概率恒定条件下对接收机输出的信号与噪声作判别以确定目标信号是否存在的技术。由于接收机输出端中肯定存有噪声(包括大气噪声、人为噪声、内部噪声和杂波等),而信号一般是叠加在噪声上的。这就需要在接收机输出的噪声或信号加噪声条件下,采用检测技术以判别是否有目标信号。
示例性地,恒虚警检测装置首先对输入的噪声进行处理后确定一个门限,将此门限与输入端信号相比,如输入端信号超过了此门限,则判为有目标,否则,判为无目标。
步骤1025,获取每个所述距离多普勒单元对应的方位向通道数据、俯仰向通道数据以及角度匹配阵列通道数据。
经过上述步骤1024处理后,可获得目标对应的距离多普勒单元位置,可以从中提取出想要分析的目标距离多普勒单元对应的方位向通道数据、俯仰向通道数据以及所述角度匹配阵列的通道数据。
以下是针对上述获取到的方位向通道数据、俯仰向通道数据以及所述角度匹配阵列的通道数据,分别进行方位角度和俯仰角度的估计,得到方位角度集合和俯仰角度集合进行具体描述。
示例性地,上述步骤102中,所述基于所述方位向通道数据和俯仰向通道数据分别进行方位角度估计和俯仰角度估计,得到方位角度集合和俯仰角度集合包括:
步骤1026,根据所述第一阵元间距计算方位导向矢量,并将所述方位导向矢量和所述方位向通道数据进行数字波束形成(Digital Beam Forming,简称DBF)处理,得到方位角度谱;或者将所述方位向通道数据直接进行傅立叶变换处理,得到方位角度谱。
步骤1027,对所述方位角度谱进行恒虚警检测,得到所述方位角度集合。
因此,方位角度估计对方位向通道数据进行DBF或FFT实现,目标位置角度在角度方向图中表现为峰值,后通过恒虚警(CFAR)检测得到目标所在位置的方位角度。
示例性地,上述步骤102中,所述基于所述方位向通道数据和俯仰向通道数据分别进行方位角度估计和俯仰角度估计,得到方位角度集合和俯仰角度集合还包括:
步骤1028,根据所述第二阵元间距计算俯仰导向矢量,并将所述俯仰导向矢量和所述俯仰向通道数据进行数字波束形成处理,得到俯仰角度谱;或者将所述俯仰向通道数据直接进行傅立叶变换处理,得到俯仰角度谱;
步骤1029,对所述俯仰角度谱进行恒虚警检测,得到所述俯仰角度集合。
因此,俯仰角度估计同样对俯仰向通道数据进行DBF或FFT实现,后通过恒虚警(CFAR)检测得到目标所在位置的俯仰角度。
上述步骤1026~1029中关于对方位角度和俯仰角度的估计,假如采用DBF测角,通过将各阵元输出经过加权求和,在一段时间内将天线阵列波束 " 导向 " 到一个方向,对期望信号得到最大输出功率的导向位置,即给出DOA(Direction of Arriva,波达方向定位技术)估计。具体操作为阵列输出选取一个适当的加权向量以补偿各个阵元的传播延迟,从而使在某一期望方向的阵列输出可以同向叠加,进而在阵列该方向上产生一个主瓣波束,而对其他方向上产生小的相应,采用DBF方法对整个角度空间进行扫描就可以确定目标信号的方位。
因此,对方位向及俯仰向进行DBF时,对方位角度及俯仰角度分别进行扫描,角度匹配阵列最大输出能量对应的角度方向即为目标信号的角度方向。
此外,将方位向和俯仰向阵列都设计为均匀线阵,则可以直接对通道数据进行FFT处理,从而获得DBF处理相同的测角效果。
以下对上述步骤103进行具体描述。
当通过上述方法对方位角度和俯仰角度进行估计时,检测到多个方位角度和俯仰角度时,则需要对所述方位角度集合中的角度元素和所述俯仰角度集合中的角度元素进行组合,得到至少一组联合角度。
示例性地,假设在角度估计中获得方位角度集合为[θ1,θ2,...,θN],俯仰角度集合为由此可以获得MN种联合角度,以同距同速目标至多为两个为例进行说明:
可能性1:方位角度估计个数为1,对应方位角表示为θ1,俯仰角度估计个数为1,对应俯仰角表示为则视为该目标的联合角度。
可能性2:方位角度估计个数为2,对应方位角表示为θ1,θ2,俯仰角度估计个数为1,对应俯仰角表示为则和视为两个目标的联合角度。
可能性3:方位角度估计个数为1,对应方位角表示为θ1,俯仰角度估计个数为2,对应俯仰角表示为则和视为两个目标的联合角度。
可能性4:方位角度估计个数为2,对应方位角表示为θ1,θ2,俯仰角度估计个数为2,对应俯仰角表示为则两个目标可能的联合角度组合有和或者和
以下对上述步骤104进行具体描述。
请参阅图3,图3是本发明实施例提供的角度匹配阵列进行匹配判断的流程示意图。上述步骤104中,所述基于所述角度匹配阵列通道数据对所述至少一组联合角度进行匹配判断,以得到与目标相对应的方位角度和俯仰角度包括:
在所述至少一组联合角度的数量等于所述方位角度集合的元素和俯仰角度集合的元素随机匹配得到的不同联合角度的数量的情况下,确定每个联合角度对应一个目标;
在所述至少一组联合角度的数量大于所述方位角度集合的元素数量和俯仰角度集合的元素数量两者中的最大值的情况下(例如上述可能4的情况),执行如下操作:
步骤1041,确定所有联合角度关联集合,每个联合角度关联集合包括相关联的联合角度组合,每个联合角度组合包含两个联合角度。
示例性地,所述相关联的联合角度组合可以是两个或两个以上,例如当一个检测到包含两个以上同距同速目标的时候,那么所述相关联的联合角度组合可以是两个以上。
示例性地,因为目标只有方位角和俯仰角与其对应,所以所述每个联合角度组合包含两个联合角度。
步骤1042,针对每个联合角度组合,将该联合角度组合中每个联合角度的方位角和俯仰角同时代入角度匹配阵列的导向矢量表达式中,得到该联合角度组合对应的导向矢量。
示例性地,所述角度匹配阵列的导向矢量表达式由下式确定:
α(θ,φ)=exp(j·2π·(DAzi·sinθ+DEle·sinφ)/λ);
其中,α(θ,φ)表示导向矢量,θ表示方位角,φ表示俯仰角,DAzi表示方位向物理间距,DEle表示俯仰向物理间距,λ表示波长,j表示相位的复数标志。
需要说明的是:
(1)方位向线阵的导向矢量为:
α(θ)=exp(j·2π·DAzi·sinθ/λ),但α(θ)只与方位角θ相关,与俯仰角φ无关。
(2)俯仰向线阵的导向矢量为:
α(φ)=exp(j·2π·DEle·sinφ/λ),但α(φ)只与俯仰角φ相关,与方位角θ无关。
(3)角度匹配阵列的导向矢量为:
α(θ,φ)=exp(j·2π·(DAzi·sinθ+DEle·sinφ)/λ),而α(θ,φ)与方位角θ、俯仰角φ均相关。
示例性地,所述方位向物理间距DAzi和所述俯仰向物理间距DEle由下式表示:
其中,K表示角度匹配阵列的阵元个数,d1表示角度匹配阵列映射在方位向的阵元间距,d2表示角度匹配阵列映射在俯仰向的阵元间距。
步骤1043,针对每个联合角度组合,将其对应导向矢量与角度匹配阵列的通道数据进行角度域数字波束形成处理。
示例性地,根据下式进行所述角度域数字波束形成处理:
W=conj(α(θ,φ))*DataK;
其中,W表示角度域数字波束形成的结果,conj表示取共轭操作,DataK表示所述角度匹配阵列的通道数据。
步骤1044,针对每个联合角度关联集合,将该集合中联合角度组合对应的数字波束形成结果进行求和,将和值更大的联合角度集合中的两个联合角度指示的方位角和俯仰角分别作为对应的两个目标的方位角和俯仰角。
示例性地,针对上述 " 可能性4 " 的例子,对所述角度匹配阵列的通道数据进行DBF处理时,通过对上述4个联合角度关联集合(以及)进行扫描,由此得到不同联合角度关联集合对应的主瓣幅值,取两组联合角度关联集合中DBF幅值求和结果最大的一组作为两个目标对应的联合角度。
例如,两组联合角度中和的求和结果均是100,而两组联合角度中和的求和结果均是10,则选取DBF幅值求和结果中积累值更大的一组联合角度和作为两个目标对应的联合角度,即得到目标1对应的方位角度和俯仰角度为目标2对应的方位角度和俯仰角度为
以下通过一应用实施例说明上述利用角度匹配阵列对所述联合角度关联集合进行匹配判断的过程。
实施例一:
考虑同距同速多目标的情况时,当几个目标在距离多普勒图像(Range-DopplerImage)中处于同一距离多普勒单元位置,则区分不同目标只能依靠目标的角度差异,即多个同距同速目标具有存在方位角或俯仰角的差异,由此区分不同目标(如果同距同速目标的方位角及俯仰角邻近,在一个角度分辨单元内,则两个目标不能区分)。
假设方位向的阵元数为M,俯仰向的阵元数为N,则进行方位测角时能够利用到M个通道数据,俯仰向测角时能够利用到N个通道数据。假设某一距离单元上有两个相同速度的目标(即同距同速目标),两个目标在距离多普勒图像中处于同一距离多普勒单元,设置四个目标,距离速度角度信息如表一所示:
表一
目标序号
距离(m)
速度(m/s)
方位角度(°)
俯仰角度(°)
备注
1
50
10
11
-2
同距同速
2
50
10
26
6
同距同速
3
70
20
11
-3
4
85
-15
-21
5
可以发现距离在50米的两个目标为同距同速目标,对目标回波数据做二维FFT处理后得到距离多普勒图像如下图4所示。 " * " 表示目标,图4示出的方框为位于同一距离多普勒单元的同距同速的目标,由该图可知,同距同速目标在距离多普勒图像中位于同一距离多普勒单元位置,所述目标可能是一个,也可能是多个,因此还需要通过方位角度和俯仰角度进行进一步的分析,才能确定目标的个数。
因此,仅靠距离速度信息无法区分目标的个数,需要提取各个通道的目标距离多普勒单元对应的数据进行下一步的测角工作,对方位向目标通道数据进行数字波束形成(DBF)或FFT,得到方位向目标对应的角度谱如图5所示。图5表示50米处目标的方位向角度谱和俯仰向角度谱的示意图。可以发现,在距离多普勒图像(即图4)中无法区分的同距同速目标(空间位置不同,即角度不同),在图5示出的方位向和俯仰向的角度谱中可以区分开,即具有两个波峰表示两个目标。因此,通过方位向角度谱和俯仰向角度谱可以确定目标的个数,例如图5可以确定目标的个数为2,即对应于表一的目标1和目标2。
再参考图6、图7,图6是本发明实施例提供的70米的方位向角度谱和俯仰向角度谱的示意图,图7是本发明实施例提供的85米的方位向角度谱和俯仰向角度谱的示意图。图6示出的方位向和俯仰向的角度谱中只有一个波峰,只有一个目标,即对应于表一的目标3。图7示出的方位向和俯仰向的角度谱中只有一个波峰,只有一个目标,即对应于表一的目标4。
通过上述图5~图7可知,当不存在同距同速目标时,距离多普勒单元对应通道数据DBF/FFT处理得到的角度谱仅有一个峰值。
当通过方位向角度谱和俯仰向角度谱识别出目标的个数之后,再进行目标的方位角度和俯仰角度的匹配判断。
由上述图4与图5可知,在50米位置的两个目标可以设为A和B,目标A与目标B的距离、速度相同,但角度存在差异,由距离多普勒图像中目标对应的距离多普勒单元位置可以获得目标的距离、速度信息,由图5中可以得到目标A与目标B的方位角度为10.74或25.77(但目标A与目标B的方位角度不可区分),同理目标A与目标B的俯仰角度为-2.236或6.273。由此可以得到如下几种可能:
可能性1:A的方位/俯仰角为[10.74,-2.236],B的方位/俯仰角为[25.77,6.273]。
可能性2:A的方位/俯仰角为[10.74,6.273],B的方位/俯仰角为[25.77,-2.236]。
可能性3:A的方位/俯仰角为[25.77,6.273],B的方位/俯仰角为[10.74,-2.236]。
可能性4:A的方位/俯仰角为[25.77,-2.236],B的方位/俯仰角为[10.74,6.273]。
可以发现可能性3和可能4与可能性1和可能性2重复,但不影响最后的检测结果。因此,只有四种可能的方位角/俯仰角的联合角度:[10.74,-2.236],[25.77,6.273],[10.74,6.273],[25.77,-2.236]。
如何找出最大可能性的角度组合作为目标A、B的角度检测结果是本发明的发明点之一。
DBF的原理,与FFT的原理相似,当实际通道数据通过最佳权向量进行补偿时可以得到信号的积累,从而在角度域频谱上表现为峰值,利用该原理可以进行上述角度组合的判定。
本发明所示角度匹配阵列包含方位向和俯仰向的两维信息,所述角度匹配阵列的导向矢量表示为:
α(θ,φ)=exp(j·2π·(DAzi·sinθ+DEle·sinφ)/λ); (1)
其中,α(θ,φ)表示角度匹配阵列的导向矢量,θ表示方位角,φ表示俯仰角,DAzi表示角度匹配阵列的方位向物理间距,DEle表示角度匹配阵列的俯仰向物理间距,λ表示波长,j表示相位的复数标志。
所述角度匹配阵列的方位向物理间距DAzi和所述角度匹配阵列的俯仰向物理间距DEle表示为:
其中,K表示角度匹配阵列的阵元个数,d1表示角度匹配阵列映射在方位向的阵元间距,d2表示角度匹配阵列映射在俯仰向的阵元间距。
当上述对应的角度组合代入到式(1)中,得到4组不同角度对应的导向矢量:
α(10.74,-2.236),α(25.77,6.273),α(10.74,6.273),α(25.77,-2.236)。
对二维均匀线阵对应的通道真实数据分别进行共轭乘法进行角度域积累,所述角度域积累处理的表达式为:
W=conj(α(θ,φ))*DataK; (3)
其中,W表示角度域积累的值,conj表示取共轭操作,DataK表示所述角度匹配阵列的通道数据。
将α(10.74,-2.236),α(25.77,6.273),α(10.74,6.273),α(25.77,-2.236)代入式(3)得到:
由于4组联合角度中有两组联合角度是正确的角度组合,对应于上述(4)式,正确角度组合计算得到的积累后的值明显大于错误的角度组合,由此判断出目标对应的真实角度。
最后结果得到[10.74,-2.236],[25.77,6.273]为同距同速目标角度匹配后的结果,即[10.74,-2.236]是其中一个目标对应的方位向角度和俯仰向角度,[25.77,6.273]为另外一个目标对应的方位向角度和俯仰向角度。最后得到目标正确检测后的三维位置如图8所示。图8中‘*’表示真实目标位置,圆圈表示检测得到的目标位置,因此通过本发明可成功解决了同距同速目标的方位角/俯仰角匹配的问题。
下面对本发明提供的目标测角装置进行描述,下文描述的目标测角装置与上文描述的目标测角方法可相互对应参照。
图9是本发明实施例提供的目标测角装置的示意图,如图9所示。一种目标测角装置,所述装置900包括阵列构建模块910、估计模块920、组合模块930以及匹配模块940。其中,
阵列构建模块910,用于根据预设的发射天线数量、接收天线数量、方位角分辨率、俯仰角分辨率、方位向FOV以及俯仰FOV构建方位向虚拟线阵、俯仰向虚拟线阵以及包含目标方位角信息和俯仰角信息的角度匹配阵列。
估计模块920,用于从所述方位向虚拟线阵、俯仰向虚拟线阵以及角度匹配阵列获取方位向通道数据、俯仰向通道数据以及角度匹配阵列通道数据,并基于所述方位向通道数据和俯仰向通道数据分别进行方位角度估计和俯仰角度估计,得到方位角度集合和俯仰角度集合。
组合模块930,用于对所述方位角度集合中的角度元素和所述俯仰角度集合中的角度元素进行组合,得到至少一组联合角度。
匹配模块940,用于基于所述角度匹配阵列通道数据对所述至少一组联合角度进行匹配判断,以得到与目标相对应的方位角度和俯仰角度。
示例性地,所述阵列构建模块910,还用于:
根据所述预设的方位角分辨率和俯仰角分辨率,分别计算出所述方位向虚拟线阵孔径和俯仰向虚拟线阵孔径;
根据所述方位向FOV确定表示所述方位虚拟线阵的阵元位置间距的第一阵元间距,并根据所述俯仰FOV确定表示俯仰虚拟线阵的阵元位置间距的第二阵元间距;
基于所述第一阵元间距、所述第二阵元间距、所述方位向虚拟线阵孔径以及所述俯仰向虚拟线阵孔径,确定方位向虚拟阵元个数及俯仰向虚拟阵元个数;
基于所述发射天线数量、所述发射天线数量确定虚拟阵列的最大虚拟阵元个数,所述最大虚拟阵元个数为所述发射天线数量与所述发射天线数量的乘积;
基于所述虚拟阵列的最大虚拟阵元个数及所述方位向虚拟阵元个数及俯仰向虚拟阵元个数,确定虚拟阵列的冗余阵元个数;
基于所述冗余阵元个数和利用冗余阵元设计所述角度匹配矩阵。
示例性地,根据下式计算所述方位向虚拟线阵孔径和俯仰向虚拟线阵孔径:
其中,Lazimuth表示方位向虚拟线阵孔径,Lpitch表示俯仰向虚拟线阵孔径,λ表示波长,Δθ1表示预设的方位角分辨率,Δθ2表示预设的俯仰角分辨率、θ1是预设的方向角度值、θ2是预设的俯仰角度值。
示例性地,根据下式确定所述第一阵元间距和所述第二阵元间距:
其中,FOVazimuth表示方位向视角范围,|FOVazimuth|表示FOVazimuth最大的正方位角,FOVelevation表示俯仰向视角范围,|FOVelevation|表示FOVelevation最大的正俯仰角,λ表示波长,xbase表示第一阵元间距,ybase表示第二阵元间距。
示例性地,所述估计模块920,还用于:
获取采集到的一帧回波数据;
根据所述一帧回波数据区分各通道数据;
针对每个通道,将对应于该通道的数据进行距离-多普勒成像处理,得到对应于该通道的距离多普勒图像;
对所述各通道数据对应的距离多普勒图像分别进行非相干积累和恒虚警检测处理,得到与至少一个目标相对应的距离多普勒单元;
获取每个所述距离多普勒单元对应的方位向通道数据、俯仰向通道数据以及角度匹配阵列通道数据。
示例性地,所述估计模块920,还用于:
根据所述第一阵元间距计算方位导向矢量,并将所述方位导向矢量和所述方位向通道数据进行数字波束形成处理,得到方位角度谱;或者将所述方位向通道数据直接进行傅立叶变换处理,得到方位角度谱;
对所述方位角度谱进行恒虚警检测,得到所述方位角度集合。
示例性地,所述估计模块920,还用于:
根据所述第二阵元间距计算俯仰导向矢量,并将所述俯仰导向矢量和所述俯仰向通道数据进行数字波束形成处理,得到俯仰角度谱;或者将所述俯仰向通道数据直接进行傅立叶变换处理,得到俯仰角度谱;
对所述俯仰角度谱进行恒虚警检测,得到所述俯仰角度集合。
示例性地,所述匹配模块940,还用于:
在所述至少一组联合角度的数量等于所述方位角度集合的元素和俯仰角度集合的元素随机匹配得到的不同联合角度的数量的情况下,确定每个联合角度对应一个目标;
在所述至少一组联合角度的数量大于所述方位角度集合的元素数量和俯仰角度集合的元素数量两者中的最大值的情况下,执行如下操作:
确定所有联合角度关联集合,每个联合角度关联集合包括相关联的联合角度组合,每个联合角度组合包含两个联合角度;
针对每个联合角度组合,将该联合角度组合中每个联合角度的方位角和俯仰角同时代入角度匹配阵列的导向矢量表达式中,得到该联合角度组合对应的导向矢量;
针对每个联合角度组合,将其对应导向矢量与角度匹配阵列的通道数据进行角度域数字波束形成处理;
针对每个联合角度关联集合,将该集合中联合角度组合对应的数字波束形成结果进行求和,将和值更大的联合角度集合中的两个联合角度指示的方位角和俯仰角分别作为对应的两个目标的方位角和俯仰角。
示例性地,所述角度匹配阵列的导向矢量表达式由下式确定:
α(θ,φ)=exp(j·2π·(DAzi·sinθ+DEle·sinφ)/λ);
其中,α(θ,φ)表示导向矢量,θ表示方位角,φ表示俯仰角,DAzi表示方位向物理间距,DEle表示俯仰向物理间距,λ表示波长,j表示相位的复数标志。
示例性地,所述方位向物理间距DAzi和所述俯仰向物理间距DEle由下式表示:
其中,K表示角度匹配阵列的阵元个数,d1表示角度匹配阵列映射在方位向的阵元间距,d2表示角度匹配阵列映射在俯仰向的阵元间距。
示例性地,根据下式进行所述角度域数字波束形成处理:
W=conj(α(θ,φ))*DataK;
其中,W表示角度域数字波束形成的结果,conj表示取共轭操作,DataK表示所述角度匹配阵列的通道数据。
请参阅图10,图10示例了一种电子设备的实体结构示意图,该电子设备可以包括:处理器(processor)1010、通信接口(Communications Interface)1020、存储器(memory)830和通信总线1040,其中,处理器1010,通信接口1020,存储器1030通过通信总线1040完成相互间的通信。处理器1010可以调用存储器1030中的逻辑指令,以执行前面所述的任一种目标测角方法。
此外,上述的存储器1030中的逻辑指令可以通过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-Only Memory)、随机存取存储器(RAM,Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下,即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述,本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现,当然也可以通过硬件。基于这样的理解,上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中,如ROM/RAM、磁碟、光盘等,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)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;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:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
MIMO雷达目标测角方法、装置、电子设备及存储介质
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