具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

本发明的目的是提供一种基于可重构全息超表面的毫米波雷达及探测方法，以实现基于RHS辅助下构建毫米波雷达，以使雷达探测性能达到最大化。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-图2所示，本发明公开一种基于可重构全息超表面的毫米波雷达，所述毫米波雷达包括：控制器1和可重构全息超表面2(Reconfigurable Holographic Surface，简称RHS)；所述RHS包括平行板波导3、N个馈源4和M个带有液晶的超材料辐射单元5，N个所述馈源4设置在所述平行板波导3上，M个所述超材料辐射单元5设置在所述平行板波导3上，其中，M与N均为大于1的正整数，且M远大于N；所述控制器1分别与各所述液晶和各所述馈源4连接。优选地，N个所述馈源4和M个所述超材料辐射单元5均阵列设置在所述平行板波导3上。

所述馈源4用于发送电磁波；所述平行板波导3用于以表面波的形式传播所述电磁波；所述控制器1用于控制所述液晶的偏置电压，以使调节传播至各所述超材料辐射单元5的电磁波的幅值；所述控制器1用于根据接收的各回波信号确定雷达探测结果；所述超材料辐射单元5用于向各目标发送发射信号；所述发射信号为改变幅值的电磁波；所述超材料辐射单元5还用于接收所述发射信号遇到各目标后返回的回波信号，并发送至所述平行板波导3，以使所述平行板波导3将返回后的回波信号通过所述馈源4发送至所述控制器1。

本实施例中，所述控制器1包括：优化模块、发射信号计算模块、回波信号确定模块、先验概率计算模块和结果输出模块。所述优化模块用于基于最小错误探测概率优化各周期优化后的电磁波、RHS在发射阶段的幅度向量和RHS在接收阶段的幅度向量；所述发射信号计算模块用于基于各周期优化后的电磁波和RHS在发射阶段的幅度向量计算向各目标发送的发射信号；所述回波信号确定模块用于基于各周期优化后的电磁波、RHS在发射阶段的幅度向量和RHS在接收阶段的幅度向量建模，构建各周期所有馈源接收到的回波信号；所述先验概率计算模块用于采用最大似然方法，根据各周期所有馈源接收到的回波信号计算各周期各假设成立的先验概率；所述结果输出模块用于优化设定周期后，将错误探测概率最小的假设作为雷达探测的结果。本实施例中，优化C个周期后输出雷达探测的结果。

下面对各个模块进行详细分析：

优选地，传播过程中，超材料辐射单元上覆盖有一层液晶，通过调节液晶的偏置电压，可以改变液晶的介电常数，进而实现对传播至超材料辐射单元上电磁波的振幅调节。考虑到连续可变电压的电路实现比较复杂，因此本发明利用控制器采用离散的方式调节液晶的偏置电压，因此超材料辐射单元的振幅(即幅值)离散可调。

本实施例中，每个超材料辐射单元的幅值有N_s种取值，分别为{0,1/(N_s-1),…,(N_s-2)/(N_s-1),1}。待探测雷达目标的个数为K，K的具体取值未知，但已知K<K^M，其中，K^M表示系统能够识别最大目标的个数。在后续进行优化计算时，必须满足上述振幅取值。

RHS有两种工作模式，分别为发射模式和接收模式。发射模式时，控制器控制RHS的幅值，从而将改变幅值后的发射信号发射出去。之后RHS会转变到接收模式。发射信号被目标反射后会被处于接收模式的RHS接收，接收的回波信号会被控制器处理从而对目标进行探测，最终获得雷达探测的结果，也就是判断目标的个数和方向。

假设每个目标可能处在这I个方向中的某一个方向上，其中θ指方位角，指俯仰角。对于K个目标和I个方向进行排列组合可以得到中结果。又因为K的取值范围为[0,1,…,K^M]，所以一共有种可能的组合结果。每种结果对应一种目标个数和所处的方向。确定了哪种结果是正确的，也就意味着完成了雷达探测。

为了判断哪种结果是正确的，本发明采用假设检验的方法，建立J个假设，第j个假设U_j对应上述的第j个目标个数和方向的组合结果。初始时，第j个假设的概率为p⁰(U_j)。之后通过分析雷达接收信号来不断更新每个假设的概率，最终概率最大的假设被认定为雷达探测的结果。

本发明工作流程包含C个周期，每个周期分别进行优化、发射、接收和探测四个步骤。当所有周期结束后，最终概率最大(即错误探测概率最小)的假设会被认定为雷达探测的结果。

优化：基于最小错误探测概率优化各周期优化后的电磁波、RHS在发射阶段的幅度向量和RHS在接收阶段的幅度向量，具体公式为：

w_j＝p^c(U_j)

其中，W^c表示第c周期优化后的电磁波，w_j表示第j个假设成立的权重，J表示假设成立的总个数，表示电磁波形为W^c，RHS在发射阶段的幅度向量为s^t,c，RHS在接收阶段的幅度向量为s^r,c时，将第j个假设误判为第j′个假设的概率，p^c(U_j)表示第c周期假设U_j成立的先验概率，w_j表示第j个假设成立的权重。

发射：基于各周期优化后的电磁波和RHS在发射阶段的幅度向量确定向各目标发送的发射信号，计算公式为：

Y^t,c＝A×R(s^t,c)×H×W^c

其中，Y^t,c表示第c周期向各目标方向上发射的发射信号，第k行表示方向的发射信号，A表示导向矢量，A＝(a₁,…,a_K)^T，K表示目标的总个数，K个目标所处的方向分别为a_k表示方向对应的导向矢量，θ_k表示第k个方向上的方位角，表示第k个方向上的俯仰角，R(s^t,c)表示第c周期RHS在发射阶段的辐射矩阵，即第一辐射矩阵，s^t,c表示构成第一辐射矩阵的幅度向量，为对角阵，H表示表面波传播矩阵，M×N维，第m行第n列表示从第n个馈源到第m个超材料辐射单元传播过程中的幅度和相位变化，W^c表示第c周期优化后的电磁波。

接收：基于各周期优化后的电磁波、RHS在发射阶段的幅度向量和RHS在接收阶段的幅度向量建模，构建各周期所有馈源接收到的回波信号，具体公式为：

其中，Y^c表示第c周期所有馈源接收到的回波信号，第n行表示馈源n接收到的信号，γ_k表示第k个目标方向的反射率，K表示目标的总个数，J_k表示时延矩阵，用于描述信号经过第k个目标的反射路径造成的时延，H表示表面波传播矩阵，R(s^r,c)表示第c周期RHS在接收阶段的幅度矩阵，即第二幅度矩阵，s^r,c表示构成第二幅度矩阵的幅度向量，为对角阵，R(s^t,c)表示第c周期RHS在发射阶段的幅度矩阵，即第一辐射矩阵，s^t,c表示构成第一辐射矩阵的幅度向量，为对角阵，a_k表示方向对应的导向矢量，θ_k表示第k个方向上的方位角，表示第k个方向上的俯仰角，W^c表示第c周期优化后的电磁波，V^c表示噪声和干扰矩阵。

探测：采用最大似然方法，根据各周期所有馈源接收到的回波信号计算各周期各假设成立的先验概率，具体的：

基于各假设成立的情况下，采用最大似然方法，根据各回波信号(Y¹,…,Y^c)对距离和反射率进行估计，获得距离估计矩阵和反射率估计矩阵具体的，(会决定时延矩阵J_k)。距离估计矩阵中表示对所有目标与雷达距离的估计值(这一项会决定时延矩阵J_k)，反射率估计矩阵中表示所有k个方向的反射率。

基于各假设成立的情况下，根据各周期接收到各回波信号、距离估计矩阵和反射率估计矩阵确定各周期各假设成立的先验概率，具体公式为：

其中，p^(c)(Y^(c)|U_j)表示假设U_j成立的前提下，接收到回波信号(Y¹,…,Y^c)的概率，表示假设U_j成立，距离估计矩阵为反射率估计矩阵为的前提下，在第c周期收到回波信号Yⁱ的概率，U_j表示第j个假设成立，Yⁱ表示第i个周期接收到的回波信号，Y^(c)表示表示第1到第c周期接收到的所有回波信号，即(Y¹,…,Y^c)，p^c+1(U_j)表示第c+1周期假设U_j成立的先验概率，p¹(U_j)表示第1周期假设U_j成立的先验概率，这个值是个常数，w_j表示第j个假设成立的权重，(c)表示第1到第c周期。

1.本发明基于RHS辅助下构建毫米波雷达，以使雷达探测性能达到最大化，相比于传统利用笨重的机械装置控制天线转动从而实现波束控制的方式的反射面雷达具有尺寸小、结构紧凑、轻薄、制造成本低等优点，另外RHS采用电控制的方式能够达到很好的动态多波束控制效果，特别适用于多目标雷达探测，能够有效降低毫米波雷达的成本。

2.本发明公开的RHS功耗低、硬件成本低：相控阵天线雷达虽然也利用电控制波束方向，但是相控阵依赖于大量的移相器控制每根天线中电磁波的相位，同时还需要大量功率放大器，因此，相控阵天线需要复杂的移相电路，且功率损耗大，硬件成本高。相比之下，RHS则不需要移相器以及复杂的移相电路，利用电压调节液晶的介电特性即可控制每个辐射单元辐射电磁波能量的不同，即通过调幅的方式就可以完成波束控制，因此用RHS辅助雷达的功耗低，硬件成本也很低，相对相控阵天线有很大的优势。

实施例2

如图3所示，本发明还提供一种毫米波雷达探测方法，所述方法包括：

步骤S301：基于最小错误探测概率优化各周期优化后的电磁波、RHS在发射阶段的幅度向量和RHS在接收阶段的幅度向量。

步骤S302：基于各周期优化后的电磁波和RHS在发射阶段的幅度向量计算向各目标发送的发射信号。

步骤S303：基于各周期优化后的电磁波、RHS在发射阶段的幅度向量和RHS在接收阶段的幅度向量建模，构建各周期所有馈源接收到的回波信号。

步骤S304：采用最大似然方法，根据各周期所有馈源接收到的回波信号计算各周期各假设成立的先验概率。

步骤S305：优化设定周期后，将错误探测概率最小的假设作为雷达探测的结果。

作为一种可选的实施方式，本发明步骤S305具体包括：

基于各假设成立的情况下，采用最大似然方法，根据各回波信号对距离和反射率进行估计，获得距离估计矩阵和反射率估计矩阵；

基于各假设成立的情况下，根据各周期接收到各回波信号、距离估计矩阵和反射率估计矩阵确定各周期各假设成立的先验概率。

以上公式与实施例1相同，再此不在一一赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。