曹申藝 付云起 孫占山 張雪松 谷磊

摘要

本文提出了一種基于MIN天線陣列的三維探測雷達(dá)系統(tǒng)。目標(biāo)的三維位置可以由距離、速度、方位角和高度來決定。本文提出了一種利用動(dòng)目標(biāo)探測（MTD）和數(shù)字波束形成（DBF）同時(shí)獲取目標(biāo)三維信息的MIMO天線陣列。此外，本文利用所提出的信號處理方法解決了多目標(biāo)情況下三維信息之間的不匹配問題并且降低了誤警概率。通過仿真驗(yàn)證了該方法的正確性。

【關(guān)鍵詞】三維探測 MIMO MTD DBF 多目標(biāo)

1 引言

近年來，隨著自動(dòng)避碰雷達(dá)安全系統(tǒng)的普及，三維雷達(dá)探測技術(shù)得到了極大的發(fā)展。平面陣列、相控陣和機(jī)械掃描天線陣是實(shí)現(xiàn)三維探測的最常用方法，但這些天線系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本較高。本文提出一種包含3個(gè)發(fā)射天線和2N個(gè)接收天線的時(shí)分多路復(fù)用（TDM）MIMO陣列，在水平和垂直兩個(gè)維度都實(shí)現(xiàn)了1×2n探測效果。

一個(gè)目標(biāo)的距離和速度可以通過將動(dòng)目標(biāo)探測（MTD）應(yīng)用于接收天線的差頻信號獲得，二維的角度可以通過數(shù)字波束形成（DBF）確定，從而可以直接確定目標(biāo)的三維信息。但是，在多目標(biāo)情況下，一個(gè)目標(biāo)的方位角和高程信息可能存在不匹配問題，例如兩個(gè)目標(biāo)的二維角度可能是（θ₁，φ₁），（θ₂，φ₂）也可能是（θ₁，φ₂），（θ₂，φ₁）因此產(chǎn)生虛警或者漏警的情況。本文提出了分別配對距離一速度、距離-角度以及速度一角度，合成目標(biāo)三維信息的信號處理方法。

2 MIMO天線陣列

設(shè)計(jì)MIMO陣列是為了在低系統(tǒng)成本的情況下提高角度分辨率。利用調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）模式，通過混合發(fā)射和接收信號來獲取差頻信號，差頻信號同時(shí)包含距離、速度和角度信息。當(dāng)對MIMO虛擬陣列的差頻信號進(jìn)行DBF確定二維角度時(shí)，僅通過一個(gè)差頻信號就可以得到距離和速度。

2.1 天線結(jié)構(gòu)

MIMO天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。接收天線之間的距離為d，發(fā)射天線和接收天線之間的距離為d/2，其中d為波長的一半。接收陣列位于兩個(gè)正交維度，發(fā)射天線分布在兩端。

2.2 工作原理

與同時(shí)工作的接收機(jī)信道相反，發(fā)射機(jī)按時(shí)間間隔Tsw順序運(yùn)行。通過對發(fā)射機(jī)I的FMCW掃描，可以直接確定二維的距離和速度，而對發(fā)射機(jī)2和發(fā)射機(jī)3的掃描，可以分別得到方位角和高程。

由于相鄰接收機(jī)之間的距離d，例如水平陣列接收到的差頻信號會(huì)在N個(gè)接收天線之間存在連續(xù)的相位偏移，可以表示為：

其中λ為波長，θ為目標(biāo)的方位角。如圖1所示，考慮到發(fā)射機(jī)1與2之間的距離為Nd，發(fā)射機(jī)2掃描引起的差頻信號的相位偏移可以表示為：

因此，通過結(jié)合兩次掃描，將具有相等相位偏移量的差頻信號的數(shù)量擴(kuò)展到2N，差頻信號的數(shù)組因子可以寫成：

因此，接收天線在水平方向等于2N，方位角的分辨率得到兩倍的改進(jìn)。通過發(fā)射機(jī)I和3的工作方式可以得到垂直方向上的虛擬陣列。

假設(shè)一個(gè)目標(biāo)的方位角為-15°、仰角為15°，以（-15°，15°）的形式表示。DBF檢測角度的仿真結(jié)果如圖2所示。

3 三維信息合成原理

目標(biāo)的三維位置可以由距離、速度、方位角和高度來決定?；诙嗥绽招畔⒃谶B續(xù)掃描時(shí)間內(nèi)的差頻信號，將MTD應(yīng)用到一個(gè)接收機(jī)的差頻信號中，可以同時(shí)得到差頻信號的距離和速度。目標(biāo)距離為100m，速度為5m/s的MTD仿真結(jié)果

這樣，一個(gè)目標(biāo)3D信息就確定了，并且位于（100m，-15°，15°）的目標(biāo)的3D檢測的仿真結(jié)果。

單個(gè)目標(biāo)的三維信息可以直接合成，不會(huì)出現(xiàn)誤報(bào)或漏報(bào)。然而，在多個(gè)目標(biāo)的環(huán)境下，由于距離和角度的獨(dú)立性，一個(gè)目標(biāo)的兩個(gè)維度的距離和角度不能準(zhǔn)確匹配?？紤]到調(diào)制帶寬為B且調(diào)制周期為T的調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)系統(tǒng)。兩個(gè)目標(biāo)的N個(gè)方位接收機(jī)的差拍信號可表示為：

其中i是目標(biāo)的數(shù)量，n是接收天線的數(shù)量，η_i=2BP_i/Tc+2v_i/λ是差拍信號的中心頻率。由于同時(shí)接收多個(gè)接收機(jī)，每個(gè)接收機(jī)的差頻信號被寫為：

接收機(jī)的頻譜可以通過對響應(yīng)的差頻信號作FFT變換得到，并且可以被表示為：

其中k=1，2…P，它表示一個(gè)掃描周期T被離散化為P個(gè)點(diǎn)。上面的公式表明頻譜中的每條線都代表了一個(gè)距離單元，它包含了方位的相位項(xiàng)。因此，首先通過FFT變換，然后同時(shí)采用MTD和DBF，可以同時(shí)獲得距離，速度和方位角。同樣的，距離、速度和高程也可以用這種方法獲得。對于處于（80m，10°，-10°）和（100m，-20°，20°）的目標(biāo)進(jìn)行距離一角度匹配的仿真結(jié)果如圖3所示。

可以看出，距離一方位和距離一俯仰分別實(shí)現(xiàn)了精確匹配。

事實(shí)上，由于距離與二維角度不具備相關(guān)性，所以會(huì)出現(xiàn)多目標(biāo)的距離相同，單目標(biāo)的方位和高程可能出現(xiàn)不匹配問題的特殊情況。為了實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)情況下三維信息的精確匹配，本文提出了一種信號處理方法，分別在二維空間下對距離一速度，距離一角度和速度一角度進(jìn)行匹配，從而可以合成每個(gè)目標(biāo)的三維信息。

首先考慮N個(gè)方位接收機(jī)。假定調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)發(fā)送K個(gè)掃描周期，并且每個(gè)周期中的差頻信號的采樣點(diǎn)是P。對每個(gè)周期的N個(gè)差頻信號按順序應(yīng)用FFT變換，獲得具有N×K個(gè)周期的距離譜。距離譜可以被寫為S_Rn（K×P）。

然后將MTD應(yīng)用到距離譜的K個(gè)周期的同一距離單位，以便獲得速度譜S_vn（K×P）。最后，將DBF應(yīng)用于N個(gè)接收機(jī)的同一速度頻譜單元，就能獲得與一個(gè)目標(biāo)的唯一速度相對應(yīng)的方位信息。速度一仰角匹配結(jié)果可以以相同的方式獲得。

二維速度和角度實(shí)現(xiàn)了精確匹配，一個(gè)目標(biāo)的速度可以稱為方位角和仰角的相關(guān)性，從而可以專門合成三維信息。

4 結(jié)論

本文提出了一種三維檢測雷達(dá)系統(tǒng)來精確合成一個(gè)目標(biāo)的三維信息。為了解決距離，方位角和仰角之間的不匹配問題，該工作分別實(shí)現(xiàn)了距離-速度，距離-角度和速度-角度匹配，從而使三維信息可以獨(dú)立合成。本文所提出的信號處理方法通過仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

[1]Harter M，Chaudhury S，Ziroff A，etal.Realization of an innovative3D imaging digital beamformingradar system[C]//2011 icee cieinternational conference on radar，2011：186-189.

[2]Barrick D E，Lipa B J，Lilleboe PM，et al.Gated FMCW DF Radar AndSignal Processing For Range/Doppler/Angle Determination[J].1994.