一种MIMO雷达天线阵列优化布局方法及电子设备与流程

本技术涉及天线阵列布局，尤其涉及一种mimo雷达天线阵列优化布局方法及电子设备。

背景技术：

1、mimo雷达通常包含多个发射天线和多个接收天线，各发射天线发射不同的信号波形，在mimo雷达系统中各阵元各发射信号不再是一组相干信号，而是一组相互正交或部分相关信号，接收端接收目标散射后的回波信号，并经过多路接收机后送给信号处理进行后续处理，形成具有较大孔径的虚拟阵列，提高雷达系统的角度分辨率。

2、目前，mimo稀疏阵列的设计多是基于单一方位向的设计，而随着4d毫米波雷达的应用需求，mimo雷达系统需要同时关注方位维角度分辨率和俯仰维角度分辨率。目前，为了保证方位维角度分辨率和俯仰维角度分辨率，降低信号间干扰所带来的影响，对于实际布局和pcb的使用面积考虑较少。而天线阵列在pcb上布局太紧凑回带来信号损失、干扰等而影响角度分辨率，但是布局太分散又会带来成本升高等问题，因此，亟需一种兼顾方位维角度分辨率和俯仰维角度分辨率以及实际布局、pcb使用面积的天线阵列优化布局方法。

技术实现思路

1、本技术提供了一种mimo雷达天线阵列优化布局方法，旨在有效解决上述无法兼顾方位维角度分辨率和俯仰维角度分辨率以及实际布局、pcb使用面积的技术问题。

2、根据本技术的第一方面，本技术提供一种mimo雷达天线阵列优化布局方法，包括：

3、获取待布局的天线阵列信息，所述天线阵列信息包括发射阵元数目、接收阵元数目、芯片数量以及预设角度分辨率；

4、根据所述天线阵列信息、方位向和俯仰向的孔径约束条件、间距约束条件以及适应度目标，并利用优化算法进行求解，获得最优阵列排布；

5、其中，所述方位向和俯仰向的孔径约束条件与所述间距约束条件是根据所述天线阵列信息对预设布局区域进行区域划分之后确定的；

6、所述适应度目标根据方位向方向图与俯仰向方向图的旁瓣电平计算、虚拟阵列方位向差和阵列的最大连续均匀分布阵元数目、虚拟阵列俯仰向差和阵列的最大连续均匀分布阵元数目获得。

7、进一步地，所述方位向和俯仰向的孔径约束条件与所述间距约束条件通过如下步骤确定：

8、根据所述发射阵元数目、所述接收阵元数目以及所述芯片数量分别对方位向发射阵元和方位向接收阵元进行区域划分，对应获得方位向发射区域以及方位向接收区域；同时分别对俯仰向发射阵元和俯仰向接收阵元进行区域划分，对应获得俯仰向发射区域和俯仰向接收区域；

9、根据所述方位向发射区域以及所述方位向接收区域确定方位向孔径约束以及方位向间距约束；同时，根据所述俯仰向发射区域以及所述俯仰向接收区域确定俯仰向孔径约束以及俯仰向间距约束。

10、进一步地，所述方位向孔径约束包括发射阵元的方位向最大孔径、最小孔径以及接收阵元的方位向最大孔径、最小孔径；所述方位向间距约束包括方位向相邻发射阵元间最小间距和方位向相邻接收阵元间最小间距；

11、所述俯仰向孔径约束包括发射阵元的俯仰向最大孔径、最小孔径以及接收阵元的俯仰向最大孔径、最小孔径；所述俯仰向间距约束包括同一芯片上发射阵元间与接收阵元间的俯仰向最大间距、同一芯片上发射阵元与接收阵元的俯仰向最小间距以及上下相邻芯片上阵元的俯仰向最小间距。

12、进一步地，所述方位向相邻发射阵元间最小间距与所述方位向相邻接收阵元间最小间距分别为：

13、

14、式中，rx1为相邻发射阵元间的最小间距，rx2为相邻接收阵元间的最小间距，xti为第i个发射阵元方位向位置坐标，xtj为第j个发射阵元方位向位置坐标；xri是第i个接收阵元方位向位置坐标，xrj是第j个接收阵元方位向位置坐标，m为发射阵元总数目，n为接收阵元总数目。

15、进一步地，所述同一芯片上发射阵元间与接收阵元间的俯仰向最大间距为：

16、

17、式中，ry为同一芯片上的俯仰向最大间距，yti为第i个发射阵元俯仰向位置坐标，ytj为第j个发射阵元俯仰向位置坐标，i为芯片数量；yri是第i个接收阵元俯仰向位置坐标，yrj是第j个接收阵元俯仰向位置坐标。

18、进一步地，所述同一芯片上发射阵元与接收阵元的俯仰向最小间距为：

19、

20、b＝3(i1-1)+1；d＝4(i1-1)+1

21、i1＝1,2,…,i

22、式中，为同一芯片内的发射阵元坐标与接收阵元坐标的最小间距，该rd为同一芯片内发射阵元与接收阵元的俯仰向坐标间距最小值，ytb是第b个发射阵元俯仰向位置坐标，yrd是第d个接收阵元俯仰向位置坐标。

23、所述上下相邻芯片上阵元的俯仰向最小间距为：

24、

25、mu＝min(ytu,yt(u+1),yt(u+2),yrv,yr(v+1),yr(v+3),yr(v+4))

26、mv＝max(ytc,yt(c+1),yt(c+2),yrs,yr(s+1),yr(s+3),yr(s+4))

27、u＝3(i2-1)+1；v＝4(i2-1)+1；

28、c＝3(i3-1)+1；s＝4(i3-1)+1

29、i2＝1,…,i/2

30、i3＝i2+i/2

31、式中，是上下相邻两芯片内阵元坐标的最小间距，rc是相邻两芯片阵元的俯仰向坐标间距最小值，ytu是第u个发射阵元俯仰向位置坐标，yrv是第v个接收阵元俯仰向位置坐标，ytc是第c个发射阵元俯仰向位置坐标，yrs是第s个接收阵元俯仰向位置坐标。

32、进一步地，所述适应度目标包括第一适应度目标、第二适应度目标以及第三适应度目标；

33、所述第一适应度目标根据方位向方向图的旁瓣区间、俯仰向方向图的旁瓣区间、距参考点的俯仰间距以及距参考点的方位间距，并利用预设的适应度函数计算获得；

34、所述第二适应度目标是虚拟阵列方位向差和阵列的最大连续均匀分布阵元数目，其根据天线对应的虚拟阵列方位向坐标差确定；

35、所述第三适应度目标是虚拟阵列俯仰向差和阵列的最大连续均匀分布阵元数目，其根据天线对应的虚拟阵列俯仰向坐标差确定。

36、进一步地，所述适应度函数为：

37、

38、其中，

39、式中，s1表示俯仰角θ＝θ0时方位向方向图的旁瓣区间，s2表示方位角φ＝φ0时俯仰向方向图的旁瓣区间，f(φ,θ0；φ0,θ0)为方位向方向图函数，f(φ0,θ；φ0,θ0)为俯仰向方向图函数；dm为距参考点的方位间距，dn为距参考点的俯仰间距，m为发射阵元总数目，n为接收阵元总数目，λ为波长，θ0和φ0分别是指实际方位角和俯仰角指向。

40、进一步地，所述利用优化算法进行求解，包括：

41、初始化步骤，根据所述天线阵列信息、所述方位向和俯仰向的孔径约束条件与间距约束条件获取初始父代种群；

42、进化步骤，计算所述初始父代种群中每个个体的适应度值，对所述初始父代种群中的个体进行交叉与变异操作，以获得子代种群，并根据计算得到的适应度值从所述子代种群中选择出新的父代种群；所述适应度值根据所述适应度目标计算获得；

43、更新步骤，重复所述进化步骤直至满足预设终止条件，以获得最优阵列排布。

44、根据本技术的第二方面，本技术还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行上述任一项的方法的步骤。

45、通过本技术中的上述实施例中的一个实施例或多个实施例，至少可以实现如下技术效果：本技术实施例提供的mimo雷达天线阵列优化布局方法，在对预设布局区域进行区域划分后确定方位向和俯仰向的孔径约束条件与所述间距约束条件，从而考虑到了实际布局和pcb面积问题，又以方位向与俯仰向角度分辨率较高为目标，利用优化算法进行最优解求解，从而最后获得的最优阵列排布既能够满足使用较少pcb面积的需求、考虑到实际布局情况又具有较高的方位向角度分辨率与俯仰向角度分辨率。