雷达目标方向确定方法、系统及计算机可读存储介质
阅读说明：本技术 雷达目标方向确定方法、系统及计算机可读存储介质 (Radar target direction determination method, system and computer readable storage medium ) 是由 叶峰 于 2021-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种雷达目标方向确定方法、系统及计算机可读存储介质,属于雷达技术领域。采用了该发明的雷达目标方向确定方法,所述的雷达包括一根发射天线和三根接收天线,所述的方法利用接收回波信号,计算获得两个目标的反射信号叠加后的幅度和相位,利用数学模型计算出两个目标的反射信号在叠加之前的幅度及相位,准确估算两个目标的波达方向,确定目标方向。从而有效解决了相干信号的问题,实现分辨率高的目标定位,且本发明的雷达目标方向确定方法中计算过程简单,对应硬件环境要求低,且适用范围相当广泛。(The invention relates to a method and a system for determining the direction of a radar target and a computer readable storage medium, belonging to the technical field of radars. The method comprises the steps of calculating and obtaining the amplitude and the phase of the superposed reflected signals of two targets by utilizing the received echo signals, calculating the amplitude and the phase of the reflected signals of the two targets before superposition by utilizing a mathematical model, accurately estimating the directions of arrival of the two targets and determining the direction of the target. Therefore, the problem of coherent signals is effectively solved, the target positioning with high resolution is realized, the radar target direction determining method is simple in calculation process, low in requirement on corresponding hardware environment and quite wide in application range.)
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，特别涉及雷达目标定位技术领域，具体是指一种雷达目标方向确定方法、系统及计算机可读存储介质。
背景技术
雷达可以通过发射电磁波及接收物体反射的电磁波信号，计算到达目标的相对距离，相对速度，以及目标所在方向。
通过物体反射电磁波的波达方向的测算，从而估算目标所在方向。现有的比较实用的波达方向估计技术主要分为两类。一类是以线性预测(LP)算法，常规波束形成(CBF)算法为代表的对天线阵列接收数据协方差矩阵进行直接处理的算法。另一类是以多重信号分类(MUSIC)算法，旋转不变子空间(ESPRIT)算法为代表的对天线阵列接收数据协方差矩阵进行特征分解的算法。
分辨多个方向的信号源时，必须设计多个接收天线。角度分辨能力与接收天线数成正比，可分辨的信号源的数量与接收天线数成正比。另外，在实际环境中多个方向的信号源的接收数据普遍存在信号相干问题，如信号传输过程中的多径现象等。相干信号源将导致无法正确估计波达方向。目前关于解相干的处理基本有两大类。一类是以空间平滑，矩阵重构为代表的降维处理算法。另一类是以频域平滑，Toeplite为代表的非降维处理算法。
为了适应车载雷达的小型化需求，天线尺寸和接收天线及安装的位置等均受到设置环境的限制。因此，现有技术中普遍存在角度分辨率低，无法解决相干信号等问题。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种分辨率高，可以有效解决相干信号问题，且实现方式简便，对应硬件环境要求较低，适用范围广的雷达目标方向确定方法。
为了实现上述的目的，本发明的雷达目标方向确定方法应用于多种雷达装置，特别适用于毫米波雷达，其包括天线阵列，所述的天线阵列包括一根发射天线和三根接收天线。所述的雷达目标方向确定方法包括以下步骤：
(S101)雷达接收回波信号；
(S102)对所述的回波信号进行二维快速傅里叶变换处理，获得处理结果；
(S103)根据所述的处理结果提取获得峰值数据模型；
(S104)基于所述的峰值数据模型进行波达方向计算，确定目标方向。
该雷达目标方向确定方法中，所述三根接收天线不等距，一号接收天线与二号接收天线的间距为0.5λ，所述二号接收天线与三号接收天线的间距为2.5λ，λ为空气波长。
该雷达目标方向确定方法中，所述的步骤(S102)具体为：对所述的回波信号进行二维快速傅里叶变换，将所述的回波信号由时域信号数据转换成频域信号数据。
该雷达目标方向确定方法中，所述的峰值数据模型具体为：
X＝AS，
A＝[a(θ1)，a(θ2)]，
S＝[ρ1，ρ2]T，
其中，X为二维快拍数据矢量；A为空间阵列的二维流型矩阵；S为空间信号的二维矢量；θ为信号水平入射角度，[·]T为转置。
该雷达目标方向确定方法中，所述的步骤(S104)具体为：
根据下式计算Δ，
(α2-1)cos(14Δ)-(β2-1)cos(4Δ)+(β2-α2)cos(2Δ)＝0
根据下式计算P，
(α2-1)P2-2[cos(4Δ)-α2cos(2Δ)]P+α2-1＝0
根据下式计算γ，
根据下式计算ω1和ω2，
tanωm＝-tan(mΔ)tanγ
根据下式计算Θ
η21＝(ω2+2Θ)-(ω1+Θ)
η21为相位差；
根据下式计算φ1，φ2
根据下式计算信号水平入射角度
φ1＝-πsin(θ1)
φ2＝-πsin(θ2)
根据所述的信号水平入射角度确定目标方向。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机软件，当所述的计算机软件被读取并运行时，实现与雷达的数据交互，并实现上述的雷达目标方向确定方法。
本发明还提供一种雷达目标方向确定系统，该系统为车载系统，所述的雷达为车载毫米波雷达。该系统包括CPU及存储器，所述的存储器上存储有计算机软件，当所述的CPU读取并运行该计算机软件时，该系统实现与雷达的数据交互，并实现上述的雷达目标方向确定方法。
采用了该发明的雷达目标方向确定方法，所述的雷达包括一根发射天线和三根接收天线，所述的方法利用接收回波信号，计算获得两个目标的反射信号叠加后的幅度和相位，利用数学模型计算出两个目标的反射信号在叠加之前的幅度及相位，准确估算两个目标的波达方向，确定目标方向。从而有效解决了相干信号的问题，实现分辨率高的目标定位，且本发明的雷达目标方向确定方法中计算过程简单，对应硬件环境要求低，且适用范围相当广泛。
附图说明
图1为本发明的雷达目标方向确定方法的流程示意图。
图2为本发明的雷达目标方向确定系统中雷达天线布局示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。
请参阅图1所示，为本发明的雷达目标方向确定方法的流程示意图。
在一种实施方式中，所述的雷达包括天线阵列，所述的天线阵列包括一根发射天线和三根接收天线。如图2所示，所述三根接收天线不等距，一号接收天线与二号接收天线的间距为0.5λ，所述二号接收天线与三号接收天线的间距为2.5λ，λ为空气波长。该雷达目标方向确定方法包括以下步骤：
(S101)雷达接收回波信号；
(S102)对所述的回波信号进行二维快速傅里叶变换处理，获得处理结果；
(S103)根据所述的处理结果提取获得峰值数据模型；
(S104)基于所述的峰值数据模型进行波达方向计算，确定目标方向。
在优选的实施方式中，所述的步骤(S102)具体为：
对所述的回波信号进行二维快速傅里叶变换，将所述的回波信号由时域信号数据转换成频域信号数据。
所述的峰值数据模型具体为：
X＝AS，
A＝[a(θ1)，a(θ2)]，
S＝[ρ1，ρ2]T，
其中，X为二维快拍数据矢量；A为空间阵列的二维流型矩阵；S为空间信号的二维矢量；θ为信号水平入射角度，[·]T为转置。
所述的步骤(S104)具体为：
根据下式计算Δ，
(α2-1)cos(14Δ)-(β2-1)cos(4Δ)+(β2-α2)cos(2Δ)＝0
根据下式计算P，
(α2-1)P2-2[cos(4Δ)-α2cos(2Δ)]P+α2-1＝0
根据下式计算γ，
根据下式计算ω1和ω2，
tanωm＝-tan(mΔ)tanγ
根据下式计算Θ
η21＝(ω2+2Θ)-(ω1+Θ)
η21为相位差；
根据下式计算φ1，φ2
根据下式计算信号水平入射角度
φ1＝-πsin(θ1)
φ2＝-πsin(θ2)
根据所述的信号水平入射角度确定目标方向。
相应的，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机软件，当所述的计算机软件被读取并运行时，实现与雷达的数据交互，并实现上述的雷达目标方向确定方法。
另外，本发明还提供了一种雷达目标方向确定系统，该系统可以为车载系统，所述的雷达为车载毫米波雷达。该雷达目标方向确定系统包括CPU及存储器，所述的存储器上存储有计算机软件，当所述的CPU读取并运行该计算机软件时，该系统实现与雷达的数据交互，并实现上述的雷达目标方向确定方法。
本发明利用接收天线的信号数据，得到各个信道中来自两个目标的反射信号叠加后的幅度及相位。再利用这些已知信息，通过接收信号的数学模型，推导出全新的数学模型，分别计算出两个目标的反射信号在叠加之前的幅度及相位，从而准确估算两个目标的波达方向。
在实际应用中，以图2所示的一发三收天线的毫米波雷达为例，毫米波雷达用一根发射天线发射电磁波，并用三根天线接收周围目标反射回的电磁波，即雷达装置接收回波信号S101。
二维FFT处理步骤S102，是将接收到的信号进行二维(距离维度与速度维度)的快速傅里叶变换处理。将接收的回波信号数据由时域转换为频域，从而估算目标与雷达的相对距离及相对速度。
二维FFT峰值提取步骤S103，是基于二维FFT的结果进行峰值搜索。峰值代表着目标候选，即在峰值所在的距离维与速度维的位置上可能存在目标。提取后的峰值标准数据模型(天线阵列)定义，如式(1)～(5)所示，
其中为阵列的L×1维快拍数据矢量。L为接收天线数量。为空间阵列的L×K维流型矩阵(导向矢量阵)。K为相对于雷达的同距离同速度的目标数量，即需要波达方向估算算法区分的目标数量。θ为信号水平入射角度。λ为空气波长。d为天线间距，式(3)为等间距均匀线阵模型。为空间信号的K×1维矢量(复幅度)。为t时刻的空间信号的L×1维噪声矢量。[·]T为转置。
在上述峰值标准数据模型的基础上，以两个目标的分辨能力为例。
如图2所示，接收天线为不等间距。Rx1(一号接收天线)与Rx2(二号接收天线)的间距为0.5λ，Rx2与Rx3(三号接收天线)的间距为2.5λ，。0.5λ的天线间距设定是为了解决角度模糊问题。但是0.5λ的天线间距过近，实际情况下角度估算误差较大，因此，另外设计一组2.5λ的天线。
本实例仅估算水平入射角度，假定垂直角度及滚转角度为0。基于车载毫米波雷达的应用场景，雷达数据仅计算单帧结果，而不做多帧累计处理。
根据以上设定将标准模型式(1)～(5)转化为以下形式，
X＝AS (6)
A＝[a(θ1)，a(θ2)] (7)
S＝[ρ1，ρ2]T (9)
N＝[n1，n2，n3]T (10)
忽略噪声N的影响。
将式(7)(8)(9)带入式(6)中得到式(11)
为了计算简洁设φ1＝-πsin(θ1)，φ2＝-πsin(θ2)。针对式11中的利用欧拉公式将复指数转化为三角函数，整理后得到式(12)
其中 利用正弦余弦二角和公式继续分解式(12)，整理后得到式(13)
其中利用正弦余弦二角和差公式继续分解式(13)，整理后得到式(14)
同理可推导式(11)结果矩阵中的另外两项，整理后得到式(15)
设式(16)式(17)成立
[cos(γ)cos(mΔ)-i sin(γ)sin(mΔ)]＝Mmejω (16)
tanωm＝-tan(mΔ)tanγ (17)
则式(15)可转化为式(18)
设 并将上述假设作为方程组，展开后提出γ项，得到式(19)式(20)
将式(19)与式(20)合并，消去γ项，得到式(21)
(α2-1)cos(14Δ)-(β2-1)cos(4Δ)+(β2-α2)cos(2Δ)＝0 (21)
此处式(21)中仅Δ为未知数，因此通过解方程可得到Δ的近似解。然后，利用计算出的Δ进一步计算接收信号的幅度的比值已知利用正弦余弦转换公式及正弦二倍角公式可将cos(2γ)整理后得到式(22)
将式(22)与式(19)合并，可得到式(23)
(α2-1)P2-2[cos(4Δ)-α2cos(2Δ)]P+α2-1＝0 (23)
此处式(23)中仅P为未知数，因此通过解方程可得到P的解。此时，利用P的值可以通过式(22)计算γ，并且可以进一步利用式(17)，计算ω1，ω2的值。然后，可以通过已知数相位差η21的方程式(24)求解的Θ数值。
η21＝(ω2+2Θ)-(ω1+Θ) (24)
最后，利用已经计算出的Δ，Θ，可以推导出φ1，φ2，从而得到最终结果θ1，θ2。
相较于现有技术，本发明的雷达目标方向确定方法具有以下优点：
1.角度分辨率高。角度分辨能力的测试结果为1度以内。测试分为仿真测试及样机实测两个部分。在仿真测试中，设定雷达法线方向为0度，-75度到75度的范围内选取角度差为1度的任意的两个目标进行测试，最终的测试结果均达到1度以内的分辨能力。在样机实测测试中，在雷达正前方设置两个目标(角反射器)，两个静止目标距离相同，角度逐渐分开，直到雷达可以分辨为止，最终的测试结果均达到1度以内的分辨能力。
2.有效解决了相干信号问题。在相干信号的影响下，依然可以计算目标所在方位角度。
3.天线布局为不等间距。证明了本发明的方法对于天线间距无特殊限制，等间距或不等间距均可，因此可以广泛地应用于各类雷达装置中，满足雷达小型化的需求。
4.计算过程简单，对于硬件资源要求低。实测样机采用了成本较低的AWR1642芯片(CPU：ARM-Cortex R4F 200MHz，DSP：C674x DSP 600MHz，片上存储器：1.5MB)。由于本发明的计算流程中多为方程式运算，没有计算量较大的循环计算处理。因此利用有限的计算资源及存储资源即可完全实现计算过程的运行。
采用了该发明的雷达目标方向确定方法，所述的雷达包括一根发射天线和三根接收天线，所述的方法利用接收回波信号，计算获得两个目标的反射信号叠加后的幅度和相位，利用数学模型计算出两个目标的反射信号在叠加之前的幅度及相位，准确估算两个目标的波达方向，确定目标方向。从而有效解决了相干信号的问题，实现分辨率高的目标定位，且本发明的雷达目标方向确定方法中计算过程简单，对应硬件环境要求低，且适用范围相当广泛。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
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