姜海濤， 白 杰

(同濟大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804)

0 引 言

車載毫米波雷達是先進駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)和自動駕駛的重要傳感器。多發(fā)多收(MIMO)雷達系統(tǒng)在近些年獲得了較多關(guān)注。MIMO雷達由多個發(fā)射天線(TX)和接收天線(RX)組成。與單發(fā)多收(SIMO)雷達相比，MIMO雷達可以用一組不同位置的發(fā)射天線發(fā)送互不干擾的波形信號，從而使接收天線可以不模糊接收。接收天線共同組成一個大型的虛擬陣列，從而顯著提高雷達的角分辨率。對于緊急制動(AEB)和自適應(yīng)巡航(ACC)，可以有效的區(qū)分不同車道上的多目標(biāo)。更重要的是，MIMO雷達具有更低的成本和重量。MIMO雷達系統(tǒng)主要難點是如何尋找合適的發(fā)射信號可以讓RX不模糊接收。本文提出采用分頻復(fù)用(FDM)的數(shù)字波束成形技術(shù)解決。并且設(shè)計了一款新的調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)信號，可以在多目標(biāo)環(huán)境下同時不模糊的測量目標(biāo)的距離和速度。同時，目標(biāo)的方位角也將準(zhǔn)確測出[1]。

1 MIMO雷達系統(tǒng)設(shè)計

1.1 天線排布和虛擬陣列

MIMO雷達的一個主要優(yōu)點是可以通過虛擬陣列顯著提高角分辨率。設(shè)計了一種天線排布，如圖1所示，由2個間距為4λ的發(fā)射天線和8個間距為λ/2的接收天線組成。從而組成一個1發(fā)16收的虛擬陣列，提高了系統(tǒng)的最大角分辨率和最大角度不模糊值。

圖1 天線排布和虛擬陣列

如圖2所示，解釋了MIMO雷達提高角分辨率的原理。τ是信號到達相鄰接收天線的時差：

(1)

式中，c是光速，λ是波長，θ是目標(biāo)方位角，相鄰兩個RX的相位差1θ：

λ=c×T

(2)

T是時間，將等式(1)和(2)帶入(3)：

1.2 波形設(shè)計

為兩個TX設(shè)計了一個新型FDM波形,每一個TX采用FMCW發(fā)射信號，發(fā)射周期為Tchirp，帶寬為B。同時，兩個TX之間在頻率域相差fshift，如圖3所示。這種情況下，每個RX就可以區(qū)分開兩個發(fā)射波形了[2]。

圖2 相鄰兩個RX的相位差

為了使RX可以不模糊的接收兩個TX的信號，要求兩個TX之間的頻率差大于由目標(biāo)引起的最大頻率變化：

(6)

圖3 發(fā)射信號波形

2 基于FDM的數(shù)字波束成形技術(shù)

從信號處理角度看，中頻信號的獲取主要利用FFT算法進行傅里葉變換，如圖3所示。第一次FFT可以獲得距離方向的頻率信息，以此為基礎(chǔ)進行第二次FFT變換，可以獲得速度多普勒的頻率信息。即使在多目標(biāo)環(huán)境下，目標(biāo)的距離和速度可以同時不模糊的測出。測量的結(jié)果放在距離-多普勒矩陣(RDM)里，如圖4所示。對于8個RX，由于2個TX發(fā)出特定波形，每個RX可以分別接收2個回波信號，達到虛擬陣列的效果。信號處理的最后一步就是利用數(shù)字波束成形技術(shù)，是雷達系統(tǒng)獲得高角度分辨率[3,7]。

MIMO雷達最主要優(yōu)點之一是可以利用虛擬陣列達到高角度分辨率。假設(shè)一個MIMO雷達由M個TX和N個RX組成，則其將組成一個MN個元素的虛擬陣列，相當(dāng)于由1個TX和MN個RX組成的SIMO雷達的效果，但體積和成本遠小于SIMO雷達[7]。

圖4 距離和速度維的信號處理[7]

圖5 用于波束成形的虛擬陣列[7]

如圖5所示，從前至后，第一個矩陣表示由TX1和RX1產(chǎn)生的RDM，第八個矩陣表示由TX1和RX8產(chǎn)生的RDM，第九個矩陣則表示由TX2和RX1產(chǎn)生的RDM，即將兩個二維RDM組成一個三維RDM，然后沿著虛擬陣列數(shù)目方向進行數(shù)字波束成形技術(shù)，最終形成距離-多普勒-角度的三維矩陣[4,5,7]。

3 仿真結(jié)果與分析

對算法進行仿真驗證，其中，相關(guān)雷達參數(shù)如下：中心載波頻率f=24GHz，帶寬fsw=100MHz，TX1和TX2之間的頻率差fshift=30MHz，發(fā)射信號周期Tchirp=0.02s，采樣頻率fs=0.1MHz。

為了與傳統(tǒng)的SIMO雷達進行比較，仿真中設(shè)計了3個目標(biāo)。目標(biāo)的方位參數(shù)[距離，速度，方位角，俯仰角]分別為[100m，20m/s，10°，15°]，[100m，20m/s，11°，17°]和[100m，20m/s，60°，70°]，如圖6所示，是通過距離-多普勒矩陣算出的目標(biāo)距離和速度。

圖6 目標(biāo)的距離和速度

圖7 MIMO雷達(左)和SIMO雷達(右)所測的方位角

如圖7所示，為水平方向MIMO雷達和SIMO雷達測得的方位角。圖中可以看出，在1°范圍內(nèi)，傳統(tǒng)的SIMO雷達不能分辨出目標(biāo)1和目標(biāo)2。但是由于虛擬陣列和數(shù)字波束成形技術(shù)，MIMO雷達可以不模糊的分辨出目標(biāo)1和2。說明MIMO雷達可以提升水平方向角度分辨率[6]。

圖8 MIMO雷達(左)和SIMO雷達

(右)所測的俯仰角

如圖8所示，為俯仰方向MIMO雷達和SIMO雷達測得的俯仰角。圖中可以看出，在2°范圍內(nèi)，傳統(tǒng)的SIMO雷達不能分辨出目標(biāo)1和目標(biāo)2。但是由于虛擬陣列和數(shù)字波束成形技術(shù)，MIMO雷達可以不模糊的分辨出目標(biāo)1和2。說明MIMO雷達可以提升俯仰方向角度分辨率。

圖9 MIMO雷達測得的方位角和俯仰角，左為三維圖，右為俯視圖

如圖9所示，可以直觀看出利用數(shù)字波束成形技術(shù)的MIMO雷達的測角能力。特別是對目標(biāo)1和目標(biāo)2的檢測。證明了MIMO雷達水平方位角分辨率達到1°，俯仰方向俯仰角分辨率達到2°。

4 結(jié) 論

一個基于數(shù)字波束成形技術(shù)的MIMO雷達系統(tǒng)被提出，由于虛擬陣列的產(chǎn)生，角分辨率可以顯著提高。實驗表明該方法實現(xiàn)了水平方向1°角分辨率和俯仰方向2°角分辨率。下一步將會對波形和算法進行優(yōu)化，增加對行人或小型目標(biāo)的檢測與分辨，進一步提高ADAS和無人駕駛中雷達檢測的能力。

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