CN112748428B 利用ddma波形的相干mimo雷达处理方法（泰勒斯公司）

(12)发明专利专利代理师李光颖本发明涉及利用DDMA波形的相干MIMO雷达射机相同、脉冲重复频率为F并且在特定于每个生成发射波形的回波的距离-多普勒表示，对于多普勒频谱中占据至少一个称为信号频带的频根据应用于每个发射机的相位斜坡来确定信号2和NR个接收机，所述方法包括以下步骤：-a)最多在NTx个发射机上产生波形，所述波形以脉冲重复频率F为模，从一个发射机到下一个发射机、在特定于每个发射机的相位斜坡内相同；-b)对于至少一个接收机，生成发射波形的回波的距离-多普勒表示，其中，对于每个接收机，发射机在多个距离单元上的回波在多普勒频谱中占据至少一个称为信号频带的频率单元，每个信号频带特定于其中一个发射机，根据应用于每个发射机的相位斜坡来确定信号频带在多普勒频谱中的位置，所述波形生成为使得两个信号频带之间的一部分多普勒频谱未被占用；-c)根据发射波形的回波的距离-多普勒表示，识别与每个信号频带相对应的发射机。2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤c)包括以下子步-计算称为回波信号的信号，所述回波信号通过将所有距离单元上的每个信号频带的回波的功率相加而获得；-在与发射波形的回波的距离-多普勒表示相同数量的频率单元上生成称为模式信号的信号，发射机根据应用于发射机的相位斜坡按升序进行编号，模式信号生成为使得发射机根据升序排序，同时考虑到多普勒频谱的未占用部分；-计算回波信号与模式信号之间的互相关信号；-根据互相关信号的最大值来识别对应于每个信号频带的发射机。3.根据权利要求2所述的方法，其中，在识别步骤中，互相关信号的最大值的位置对应于多普勒频谱中的第一发射机的回波，第一发射机定义为相位斜坡为零的发射机。4.根据权利要求2和3中任一项所述的方法，其中，多普勒频谱的未占用部分通过关闭NTx个发射机的其中一个来获得，对于每个频率单元k*Fg/NT,模式信号为非零，在其他频率5.根据权利要求2和3中任一项所述的方法，其中，多普勒频谱的未占用部分通过确定相位斜坡来获得，使得信号频带在多普勒频谱中以Fg/NT×2频率单元隔开，其中NTx₂是使得6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，通过对多个采样点进行快速傅里叶变换FFT来获得回波的距离-多普勒表示，如果NT不是2的幂，则通过添加零来补充采样点7.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，通过对在相干处理间隔CPI上进行编码的脉冲序列进行快速傅里叶变换FFT来获得回波的距离-多普勒表示，每个相干处理间隔CPI的脉冲数调整为发射机数量的倍数。8.一种相干MIMO雷达处理方法，所述相干MIMO雷达处理DDMA波形并且包括NTx个发射机和NR个接收机，所述方法包括以下步骤：-a)最多在NT个发射机上产生波形，所述波形以脉冲重复频率F为模，从一个发射机到下一个发射机、在特定于每个发射机的相位斜坡内相同；-b)对于至少一个接收机，生成发射波形的回波的距离-多普勒表示，其中，对于每个接收机，发射机在多个距离单元上的回波在多普勒频谱中占据至少一个称为信号频带的频率3单元，每个信号频带特定于其中一个发射机，根据应用于每个发射机的相位斜坡来确定信号频带在多普勒频谱中的位置，所述波形生成为使得至少两个连续信号频带之间的间隔不同于其他连续信号频带之间的间隔；-c)根据发射波形的回波的距离-多普勒表示，识别与每个信号频带相对应的发射机。9.根据权利要求8所述的方法，其中，两个连续信号频带之间的间隔都是不同的。10.根据权利要求8和9中任一项所述的方法，其中，信号频带根据预定的间隔规律隔11.根据权利要求8至9中任一项所述的方法，其中，每个信号频带之间的间隔确定为使得间隔的平均值等于Fg/NT。12.根据权利要求8至9中任一项所述的方法，其中，通过对多个采样点进行快速傅里叶FFT变换来获得回波的距离-多普勒表示，通过添加零来补充采样点数，以获得总共的NFFT点，NH确定为使得两个连续频带之间的间隔是F/NP的整数倍。13.根据权利要求8至9中任一项所述的方法，其中，通过对在相干处理间隔CPI上进行编码的脉冲序列进行快速傅里叶变换FFT来获得回波的距离-多普勒表示，每个相干处理间14.根据权利要求8至9中任一项所述的方法，包括数字成形处理的附加步骤，其中，波形以加权方式与来自不同接收机的回波组合。4数量的应用中(特别是机载雷达),能够提高雷达的检测性能。MIMO雷达由多个接收机和多向上垂直)对应于多普勒处理之后每个发射机的固定或移[0006]接下来，将通过所有接收机接收到的信号与通过所有发射机发送的信号组合起[0009]图2示出表示载体/雷达的移动的向量以及雷达在目标C方向的瞄准轴。5相对于目标的相对径向速度，其对应于雷达的速度在瞄准轴上的投影。[0013]因此，与具有零相位斜坡的发射机相关联的样本的选择依赖于知晓精度随着脉冲的频率分辨率c和波长的降低而提高的VR。由于多普勒域中的混叠，当雷达的速度不清楚[0014]例如，如果频率分辨率的值为c=10Hz,雷达的频率为F=3GHz(S波段，λ=0.1m);为了知晓信号在单元(cell)内的定位，V的精度为λ/2*c=0.5m/s,这是使用常规惯性测量[0015]在相同条件下，对于X波段雷达(Fg=10GHz,λ=3cm),VR的精度变为λ/2*cp=0.15m/s=15cm/s,这就需要高质量的惯性测量单元。[0016]然而，在同样的条件下，对于毫米波雷达(在75GHz与110GHz之间的W波段),V的精度约为1cm/s,这就需要非常高精度的惯性测量单元，而这并不总是与低成本系统兼容。[0017]文章“利用MIMO技术的机载GMTI(AirborneGMTIusingMIMOtechniques)” (J.Kantor&S.K.Davis,2011,技术报统。在该文章中，没有提到从各发射机中选择样本的方法，但是由于所使用的雷达是如上所述的S波段雷达，因此载体速度的要求精度不是问题。发明内容[0018]本发明的目的是提出一种系统，该系统不仅不需要雷达相对于目标的相对径向速度的高精度知识，而且可以完全不需要。[0020]a)最多在NTx个发射机上产生波形，所述波形以脉冲重复频率F为模(modulo),从一个发射机到下一个发射机、在特定于每个发射机的相位斜坡内相同；[0021]b)对于至少一个接收机，生成发射波形的回波的距离-多普勒表示，其中，对于每个接收机，发射机在多个距离单元上的回波在多普勒频谱中占据至少一个称为信号频带的频率单元，每个信号频带特定于其中一个发射机，根据应用于每个发射机的相位斜坡来确定信号频带在多普勒频谱中的位置，所述波形生成为使得两个信号频带之间的一部分多普勒频谱未被占用；[0022]c)根据发射波形的回波的距离-多普勒表示，识别与每个信号频带相对应的发射机。[0023]有利地，步骤c)包括以下子[0024]-计算称为回波信号的信号，所述回波信号通过将所有距离单元上的每个信号频带的回波的功率相加而获得；[0025]-在与发射波形的回波的距离-多普勒表示相同数量的频率单元上生成称为模式信号的信号，发射机根据应用于发射机的相位斜坡按升序进行编号，模式信号生成为使得发射机根据升序排序，同时考虑到多普勒频谱的未占用部分；[0026]-计算回波信号与模式信号之间的互相关信号；[0027]-根据互相关信号的最大值来识别对应于每个信号频带的发射机。6[0028]有利地，在识别步骤中，互相关信号的最大值的位置对应于多普勒频谱中的第一发射机的回波，第一发射机定义为相位斜坡为零的发射机。[0029]有利地，通过关闭NTx个发射机的其中一个来获得多普勒频谱的未占用部分，对于每个频率单元k*Fg/NT,模式信号为非零，其中k={0,…,NT-1},并且在其他频率单元中，模式信号为零。[0030]有利地，多普勒频谱的未占用部分通过确定相位斜坡来获得，使得信号频带在多普勒频谱中以Fg/NT频率单元隔开，其中NT₂是使得NT×₂>NT的整数，对于每个频率单元k*Fg/NT₂,模式信号为非零，其中k={0,…,NTx-1},在其他频率单元中，模式信号为零。[0031]有利地，通过对多个采样点进行快速傅里叶变换(FFT)来获得回波的距离-多普勒射路径数量NT的整数倍。[0032]有利地，通过对在相干处理间隔(CPI)上进行编码的脉冲序列进行快速傅里叶变换(FFT)来获得回波的距离-多普勒表示，每个相干处理间隔(CPI)的脉冲数调整为发射机数量的倍数。波形并且包括NT个发射机和NR个接收机，所述方法包括以下步骤：[0034]a)最多在NT个发射机上产生波形，所述波形以脉冲重复频率F为模，从一个发射机到下一个发射机、在特定于每个发射机的相位斜坡内相同；[0035]b)对于至少一个接收机，生成发射波形的回波的距离-多普勒表示，其中，对于每个接收机，发射机在多个距离单元上的回波在多普勒频谱中占据至少一个称为信号频带的频率单元，每个信号频带特定于其中一个发射机，根据应用于每个发射机的相位斜坡来确定信号频带在多普勒频谱中的位置，波形生成为使得至少两个连续信号频带之间的间隔不同于其他连续信号频带之间的间隔；[0036]c)根据发射波形的回波的距离-多普勒表示，识别与每个信号频带相对应的发射机。[0037]有利地，两个连续信号频带之间的间隔都是不同的。[0038]有利地，根据预定的间隔规律将信号频带隔开。[0039]有利地，每个信号频带之间的间隔确定为使得间隔的平均值等于Fg/NT。[0040]有利地，通过对多个采样点进行快速傅立叶变换(FFT)来获得回波的距离-多普勒表示，通过添加零来补充采样点数，以获得总共的NP点，Np确定为使得两个连续频带之间的间隔是F/NF的整数倍。[0041]有利地，通过对在相干处理间隔(CPI)上进行编码的脉冲序列进行快速傅立叶变换(FFT)来获得回波的距离-多普勒表示，每个相干处理间隔的(CPI)的脉冲数NRB确定为使得两个连续频带之间的间隔是Fg/NRBC的整数倍。[0042]有利地，所述方法包括数字成形处理的附加步骤，其中，波形以加权方式与来自不同接收机的回波组合。[0043]本发明的另一个主题是一种能够实现上述方法的MIMO雷达。7附图说明[0044]通过阅读参照所附附图给出的说明，本发明的其他特征、细节和优点将变得明显，所附附图以示例的方式给出，并且其中：[0046]上面描述的图2显示雷达相对于目标的载体向量；[0047]图3显示示出了根据本发明的第一实施方案的MIMO雷达处理方法的示意图，其中，发射机之一被关闭；[0048]图4显示示出了根据本发明的第二实施方案的MIMO雷达处理方法的示意图，其中，频带之间的间隔被修改；[0049]图5显示示出了根据本发明的第三实施方案的MIMO雷达处理方法的示意图，其中，频带之间的间隔不均匀。具体实施方式[0050]根据本发明的第一实施方案和第二实施方案，所述方法包括三个步骤。[0051]在第一步骤中，包括NT个发射机的雷达最多在NT个发射机上产生波形。根据下面详细描述的第一实施方案，NTx个发射机的其中一个被关闭。根据下面还详细描述的第二实一个发射机到下一个发射机、在特定于每个发射机的相位斜坡内相同的雷达脉冲。相位斜坡由移相器创建，移相器是相对容易整合的组件。接下来，每个接收到的回波由匹配滤波器组(即，每个波形一个滤波器)进行处理。[0052]根据本发明的处理方法可以在接收机中的一个、多个或甚至所有接收机处实现。应用于数字波束形成特别要求将所有接收机与发射机相关联，但此应用是非限制性的。一般来说，根据本发明的方法使得在MIMO背景中，甚至对于一个接收机，使每个信号频带与发射机的其中一个相关联。[0053]为此，在第二步骤b)中，生成发射波形的回波的距离-多普勒表示。如上面描述的图1所示，距离-多普勒表示包括横坐标上的频率单元(或FFT(快速傅立叶变换)点数)和纵坐标上的距离单元。每个信号频带都集中在每个发射机的多普勒频移的频率单元上。因此，信号频带以Fg/NT隔开，其中F是脉冲重复频率(脉冲重复间隔的倒数)。[0054]由于DDMA波形的本质，其为每个发射机引入了相移，所以这种相移可以在多普勒频谱中、在信号频带的间隔中找到。每个接收到的回波由匹配滤波器组(即，每个波形一个[0055]根据本发明的方法的特征在于，波形生成为使得两个信号频带之间的一部分多普勒频谱中都均匀分布。然而，通过使频谱的一部分未被占用，便于识别与每个信号频带相对应的发射机，如下面所示(该方法的步骤c)。[0056]有利地，处理方法的步骤c)包括计算称为回波信号的信号的第一子步骤。回波信号通过在所有距离单元上、对每个信号频带的回波功率求和得到。因此，获得表示每个信号频带的能量的信号。因此，直接且容易地(即，没有计算复杂度)从距离-多普勒表示中获得回波信号。8[0057]接下来，在第二子步骤中，在与发射波形的回波的距离-多普勒表示相同数量的频率单元上生成称为模式(pattern)信号的信号。模式信号是由应用于每个发射机的相位斜机相关联。接下来，对发射机分配编号：No.1用于具有零相位斜坡的发射机，No.2用于对应于由各种相位规律的斜坡引起的偏移的每个频率单元，该模式信号的值为1(或除零以外的任何其他值，只要该值对于所有发射机都是相同的),否则为0。另外，在多普勒频谱的未占用部分，模式信号也被设置为0。[0058]然后计算回波信号和模式信号之间的互相关信号。互相关信号对应于回波信号和模式信号之间的互相关函数。这两个信号中的每一个都可以被认为是“梳”状信号。当两个[0059]互相关信号的最大值的位置指示第一发射机在多普勒频谱中的位置。其他发射机的位置是通过根据信号频带之间的理论间隔、以脉冲重复频率为模或以FFT点数为模进行偏移而推导出。[0060]所述的处理是对雷达信号的每个突发脉冲系统地进行的。[0061]图3示出根据本发明的处理方法的第一实施方案。根据第一实施方案，通过关闭发10个左右，并且在雷达包括10个发射机的情况下，关闭其中一个发射机仅对雷达图像产生10%左右的影响。[0063]可通过各种方式关闭其中一个发射机。例如，在用于幅度和相位控制的雷达有源天线中使用的幅度控制可以对要关闭的发射机施加零幅度。这种解决方案的优点是能够在任务中通过修改幅度控制命令进行重新配置。另一种选择是，功率发射机中所要达到的发射机的输出没有连接，这构成了永久性的解决方案，并且只能在两个任务之间进行修改。另一种可能是在每个功率发射机的上游增加受控开关。[0064]当被关闭的发射机的数量已知时，要关闭的发射机的选择可以是完全随机的。路径的选择对过程的结果没有影响。[0065]回波信号通过针对每个信号频带对每个距离单元的功率求和得到。在多普勒频谱中，发射机的所有回波均以Fg/NT隔开，但根据定义，发射机关闭的频段除外。在图3中120个FFT点上接收回波，该值不限制本发明的范围。[0066]模式信号在与接收回波的多普勒频谱相同数量的频率单元上进行表示。对于对应于信号频带的每个频率单元k*F/NT,其中k={0,…,NTx-1},除了关闭的发射机的信号频带之外，其他模式信号是非零的(例如具有1的值)。其他频率单元的模式信号也为零。在图36和5*Fg/6单元中具有非0值、在其他单元为零的梳状。[0067]最后，计算回波信号与模式信号之间的互相关信号。在图3中，应结合接收回波的多普勒频谱读取的互相关信号在多普勒频谱中与第一发射机的信号频带(即，图3的示例中频谱右侧的第二信号频带)相对应的位置处为最大值。因此，右侧的第二信号频带对应于来自第一发射机的回波。接下来，可以通过关于相位斜坡从左向右循环、简单地偏移来推导其9他发射机的位置。在图3的示例中，右侧的第一信号频带对应于第二发射机的回波，左侧的第一频带对应于第三发射机的回波，依此类推。[0068]因此，来自每个发射机的信号在多普勒频谱中关联，而不使用关于载体的径向速度的信息，该径向速度对应于载体的速度在瞄准轴上的投影。[0069]上面描述的第一实施方案特别适合于具有(例如10个左右)大量发射机的DDMA机可能被证明是不利的。例如，如果MIMO雷达仅包含四个发射机，则关闭其中一个发射机会影响雷达图像约25%,这并不代表雷达的最佳使用。[0071]根据本发明的处理方法的第二实施方案还使得能够将发射机与每个信号频带相关联。为此，相位斜坡生成为使得信号频带在多普勒频谱中以Fg/NT×₂频率单元隔开，其中[0072]这样生成的间隔也在多普勒空间中创建空白空间，与第一实施方案一样。图4所示的多普勒频谱显示发射波形的回波的距离-多普勒表示中以Fg/8隔开的六个信号频带。[0073]与第一实施方案一样，创建回波信号。在第二实施方案中，回波信号的值是在信号频带的所有距离单元上接收到的回波的功率的总和。因此，在NF频率单元上，回波信号具[0074]另外，对于每个频率单元k*Fg/NTx₂,k={0,…,NTx-1},模式信号是非零的(例如具有1的值),并且在其他频率单元中为零。模式信号在与接收回波的多普勒频谱相同数量的频率单元上进行表示。在图4的示例中，模式信号对横坐标上的0并且对于以F/NT₂隔开的[0075]互相关信号对应于回波信号和模式信号之间的互相关函数。互相关信号的最大值表示第一发射机，即发射时应用的相位斜坡为零的发射机。[0076]在图4的示例中，通过将互相关信号与多普勒频谱叠加，可以看出，互相关信号的最大值对应于多普勒频谱中最左边的信号频带。左边第二个频带对应于第二发射机路径，依此类推。与第一实施方案一样，在多普勒频谱中创建的空白空间使得能够在不知晓载体相对于目标的径向速度的情况下识别信号的相对位置，即信号来自哪个发射机。[0077]DDMA信号频带之间的间隔虽然均匀(根据第一或第二实施方案，具有F/NT或FR/NTx₂的值),但并不总是等于频率单元的整数。如果NT或NTx₂(根据第二实施方案)不是2的频率单元，但是来自不同发射机的同一个回波将从一个信号频带到下一个信号频带以不同的方式采样，这将导致不需要的幅度调制，从而导致更差的DBF结果。另一种解决方案是对信号进行内插(interpolate),以便将信号放在各个DDMA信道共用的采样网格上，或者等效地执行傅里叶逆变换，数值应用与发射时使用的相位斜坡相反的相位斜坡，然后重新进行直接傅里叶变换，以选择零频率单元周围的样本。所有这些操作都可以获得无缺陷DBF,但代价是计算复杂度很高。[0078]为了克服这一点，建议通过在时域中添加零来补充采样点数(“补零”技术),直到FFT点数NH是发射机数量NT的整数倍。FR)上进行FFT,则必须执行N=540点的FFT,这是NT=12的倍数。[0080]作为替代方案，调整每个相干处理间隔(CPI)的脉冲数，使其成为发射机数量的倍保持NT的倍数的同时在不补零的情况下执行FFT。[0082]图5示出本发明的第三实施方案。[0083]根据本发明第三实施方案的方法的步骤a)与前两个实施方案的步骤a)相同。[0084]在步骤b),针对至少一个接收路径生成发射波形的回波的距离-多普勒表示。对于每个接收机，发射机在多个距离单元上的回波占据多普勒频谱(信号频带)中的至少一个频率单元。每个信号频带都是特定于其中一个发射机的。信号频带在多普勒频谱中的位置根据应用于每个发射机的相位斜坡来确定。第三实施方案更具体的特征是每个信号频带之间的间隔：每个信号频带之间的间隔不均匀：至少两个信号频带(这两个频带之间)的间隔不同于其他信号频带之间的间隔。特别是，两个连续信号频带之间的所有间隔都是不同的，但这不是必需的条件。这种不均匀的间隔使得能够容易地识别回波所对应的发射机，而无需关闭其中一个发射机。因此，该实施方案不[0085]第三实施方案包括第三步