一种MIMO雷达的波束成形方法、系统和设备与流程

一种mimo雷达的波束成形方法、系统和设备
技术领域
1.本发明涉及雷达波束成形领域，具体涉及一种mimo雷达的波束成形方法、系统和设备。


背景技术：

2.mimo(multiple in multiple out，多输入多输出)雷达经过长时间的发展，雷达技术经验较丰富，所需的发射功率峰值较低、容易调制、成本低、信号处理简单，并随着毫米波技术的发展，在气象雷达、交通雷达以及车载雷达中广泛应用。但是随着雷达的应用场景越来越多，雷达之间的干扰也逐渐严重。例如在智能驾驶与智能交通领域，辅助驾驶的车载雷达日益增多，车载雷达对交通雷达之间干扰已经十分严峻。波束成形技术是天线技术与数字信号处理技术的结合，目的用于定向信号传输或接收，从而增强目标方向的信号，弱化其他干扰信号。波束成形技术针对接收端的信号处理，可以通过对多天线阵元接收到的各路信号进行加权合成，形成所需的理想信号。但是传统mimo雷达在波束成形的实现过程中计算复杂程度较大，使得mimo雷达如何在不降低抗干扰能力的同时，其实现方式又尽可能的简化成为亟待解决的问题。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明实施方式提供了一种mimo雷达的波束成形方法、系统和设备，从而降低了波束成形计算中协方差矩阵的维度，简化了波束成形权向量的计算过程，即实现了在不降低雷达抗干扰能力的同时，降低了波束成形实现的复杂度。
4.根据第一方面，一种mimo雷达的波束成形方法，所述mimo雷达包括m个发射机和n个接收机，所述方法包括：通过具有不同通信码的发射机编码m个发射信号，并发送所述m个发射信号到检测目标；分别利用每一个接收机接收检测目标返回的m个检测信号，并利用m个发射机对应的通信码对每一个接收机接收到的所述m个检测信号进行解码以生成m
×
n个接收信号；将m
×
n个接收信号中使用相同通信码解码得到的接收信号进行合并得到m个合并结果，并将所述m个合并结果进行下变频转换以得到m个输入信号；基于所述m个输入信号的协方差矩阵计算用于生成目标波束的目标权向量，以利用所述目标权向量加权合并全部输入信号生成目标波束。
5.可选地，所述mimo雷达包括移相器，在所述分别将n个接收机中使用相同通信码解码的接收信号进行合并，并将合并结果进行下变频转换以得到m个输入信号之前，所述方法还包括：通过所述移相器将所述m
×
n个接收信号导向波达方向。
6.可选地，所述基于所述m个输入信号的协方差矩阵计算目标权向量，包括：基于所述m个输入信号的协方差矩阵对波达方向的信干噪比进行最大寻优计算，并将寻优结束时生成的最佳权向量作为目标权向量。
7.可选地，所述基于所述m个输入信号的协方差矩阵对波达方向的信干噪比进行最大寻优计算，包括：计算所述m个输入信号的协方差矩阵；根据所述协方差矩阵与第一权向
量计算波达方向的信干噪比；以所述信干噪比递增为约束条件调整所述第一权向量，并返回根据所述协方差矩阵与第一权向量计算波达方向的信干噪比的步骤；当满足预设条件时结束调整所述第一权向量，并将当前的第一权向量作为所述最佳权向量。
8.可选地，当满足预设条件时结束调整所述第一权向量，包括：当所述信干噪比在连续预设次数内的变化量小于预设阈值时，结束调整所述第一权向量。
9.可选地，所述计算波达方向的信干噪比公式如下：
[0010][0011]
式中，sinr为信干噪比，σ是信号功率，θk是接收到的目标方向信号的期望到达角，a(θk)是与θk相关的导向矢量,r
i+n
为输入信号中干扰和白噪声的协方差矩阵，w是权向量，wh是权向量的转置共轭矩阵。
[0012]
根据第二方面，一种mimo雷达的波束成形系统，所述mimo雷达包括m个发射机和n个接收机，所述系统包括：信号发射模块，用于通过具有不同通信码的发射机编码m个发射信号，并发送所述m个发射信号到检测目标；信号接收模块，用于分别利用每一个接收机接收检测目标返回的m个检测信号，并利用m个发射机对应的通信码对每一个接收机接收到的所述m个检测信号进行解码以生成m
×
n个接收信号；信号处理模块，用于将m
×
n个接收信号中使用相同通信码解码得到的接收信号进行合并得到m个合并结果，并将所述m个合并结果进行下变频转换以得到m个输入信号；波束成形模块，用于基于所述m个输入信号的协方差矩阵计算用于生成目标波束的目标权向量，以利用所述目标权向量加权合并全部输入信号生成目标波束。
[0013]
根据第三方面，一种mimo雷达设备，所述设备包括：m个发射机和n个接收机，分别用于信号的发送和接收；主控器，分别与发射机和接收机连接，用于执行如第一方面任意可选实施方式的mimo雷达的波束成形方法。
[0014]
可选地，所述mimo雷达设备还包括：低噪声放大器，与所述接收机连接，用于放大接收到的外部信号；滤波器，与所述低噪声放大器连接，用于对放大后的信号滤波；第一混频器，与所述滤波器连接，用于对接收到的信号进行下变频；第二混频器，在所述主控器和发射机之间连接，用于对需要发送的信号进行上变频；移相器，与所述第一混频器连接，用于对下变频后的信号进行移相。
[0015]
根据第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机从而执行第一方面，或者第一方面任意一种可选实施方式中所述的方法。
[0016]
本发明技术方案，具有如下优点：
[0017]
本发明实施例提供的一种mimo雷达的波束成形方法、系统和设备。该方法具体包括：将m个发射机分别设置不同的通信码，并将多个发射机的发射信号使用对应的通信码进行编码；在每个接收机均接收到检测目标返回的m个检测信号时，每个接收机针对接收到的m个信号使用编码时的m个通信码对应解码，并将每个接收机中使用相同解码方法解码的接收信号进行合并；之后对合并的m个合并结果进行下变频得到m个输入信号，从而在不减少信号特征信息的前提下减少了输入信号的数量，之后利用输入信号计算协方差矩阵。用于波束成形的目标权向量是基于协方差矩阵计算得到的，通过上述步骤将协方差矩阵在不损
失信号信息的前提下进行了降维，降低了目标权向量的计算复杂度，进一步消除了计算中的冗余信息，从而在得到准确的目标权向量的同时降低了模型实现的复杂度。最后使用目标权向量将所有输入信号加权合并生成精准度更高的导向波达方向的目标波束。
附图说明
[0018]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019]
图1为本发明实施例的一种mimo雷达的波束成形方法的步骤示意图；
[0020]
图2为本发明实施例的一种mimo雷达的波束成形系统的结构示意图；
[0021]
图3为本发明实施例的一种mimo雷达设备的结构示意图；
[0022]
图4为本发明实施例的一种mimo雷达设备主控器的结构示意图；
[0023]
图5为本发明实施例的一种mimo雷达设备的结构示意图。
具体实施方式
[0024]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，本领域技术人员在没有作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。
[0025]
下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
[0026]
请参阅图1，mimo雷达包括m个发射机和n个接收机，本发明实施例提供的一种mimo雷达的波束成形方法，具体包括如下步骤：
[0027]
步骤s101：通过具有不同通信码的发射机编码m个发射信号，并发送m个发射信号到检测目标。具体地，由于mimo雷达在发射信号时对信号进行预编码可以提高信号的抗干扰能力，本发明实施例提供的波束成形方法对发射信号进行通信码编码。同时为了简化雷达实现的复杂度对波束计算时的协方差矩阵进行降维，考虑到降低输入信号维度能够达到协方差矩阵降维的目的，为了不损失雷达返回信号的信息，选择将同一发射机发射并返回的信号进行合并，因此对每个发射机使用不同通信码对发射信号进行编码，从而在接收机解码时使用针对每个接收信号使用对应的通信码进行解码才能得到对应的返回信号，再将属于同一发射通道返回的输入信号进行合并实现输入降维的目的。
[0028]
步骤s102：分别利用每一个接收机接收检测目标返回的m个检测信号，并利用m个发射机对应的通信码对每一个接收机接收到的m个检测信号进行解码以生成m
×
n个接收信号。具体地，m个发射机发射不同编码的信号到检测目标后，检测目标将m个信号反射，当n个接收机的每个接收机均接收到m个检测目标返回的检测信号后，任意一个接收机使用m个不同的通信码依次对应将接收到的m个检测信号进行解码，解码之后n个接收机一共得到m
×
n个解码信号，即接收信号。从而后续将n个接收机中使用相同解码方式的信号合并，实现输入降维。其中，mimo雷达传输信号为正交信号，通信码编码方式可以采用但不限于：傅里叶
变换、余弦变换、沃尔什-哈达玛正交变换。
[0029]
步骤s103：将m
×
n个接收信号中使用相同通信码解码得到的接收信号进行合并得到m个合并结果，并将m个合并结果进行下变频转换以得到m个输入信号。具体地，针对每个接收机接收到的m个检测信号，将使用相同通信码解码得到的接收信号合并在一起，实现既不损失信号信息，又降维输入向量的目的。之后通过雷达中的混频器将信号进行下变频，消除高频载波，从而对得到的基频信号进行后续处理。
[0030]
步骤s104：基于m个输入信号的协方差矩阵计算用于生成目标波束的目标权向量，以利用目标权向量加权合并全部输入信号生成目标波束。具体地，如果多条天线发出的信号波形在接收端相位相反，就会造成信号衰减；如果多条天线发出的信号波形在接收端相位相同，就能使信号增强，接收信号时同理，波束成形技术即是通过对传输信号加权，提高目标信号权重并弱化非目标信号的权重来改善接收情况。在得到m个输入信号后，使用数字波成形技术如最小方差无失真响应波束成形或凸优化波束成形进行波束成形处理，使用m
×
m协方差矩阵确定复杂权向量。例如，最小方差无失真响应波束成形可以通过下式确定权向量：
[0031][0032]
式中w
mvdr
为最小方差无失真响应得到的权向量，r为输入信号的协方差矩阵，a为导向向量。协方差矩阵和导向向量的具体计算方法为现有技术，本实施例不再赘述。通过输入信号的维度降低，协方差矩阵维度降低，从而减少权向量计算复杂度，与传统mimo雷达的波束成形相比，在不降低抗干扰能力的情况下，大大简化了雷达实现复杂度。之后使用目标权向量对输入信号进行加权合并计算生成目标波束。
[0033]
具体地，在一实施例中，mimo雷达包括移相器，在上述步骤s103之前，还包括如下步骤：
[0034]
步骤s105：通过移相器将m
×
n个接收信号导向波达方向。具体地，通过移相器先将各个信号分量导向波达方向。使得信号相位尽量接近，加强增益，降低干扰，同时在后续计算目标权向量的过程中降低了计算难度。
[0035]
具体地，在一实施例中，上述步骤s101，具体包括如下步骤：
[0036]
步骤s1011：采用沃尔什-哈达玛正交码作为通信码进行发射信号编码。具体地，沃尔什变换与傅里叶变换和余弦变换相比，由于它只存在实数的加、减法运算而没有复数的乘法运算，使得计算速度快、存储空间少，有利于硬件实现，对实时处理和大量数据操作具有特殊吸引力。在通信系统中由于它的正交性和具有取值和算法简单等优点，便于构成正交的多路复用系统。具体变换原理为现有技术，本发明不再赘述。
[0037]
具体地，在一实施例中，上述步骤s104，具体包括如下步骤：
[0038]
步骤s1041：基于m个输入信号的协方差矩阵对波达方向的信干噪比进行最大寻优计算，并将寻优结束时生成的最佳权向量作为目标权向量。具体地，波达方向信干噪比的计算与输入信号协方差矩阵和权向量有关，当波达方向的信干噪比最大时，产生的波束抗干扰能力最强。基于这一原理，本发明实施例基于信干噪比最大原则进行权向量寻优，从而得到信干噪比最大时对应的最佳的目标权向量。从而提高了权向量的准确度，进而提高了mimo雷达波束成形后的抗干扰能力。
[0039]
具体地，在一实施例中，上述步骤s1041，具体包括如下步骤：
[0040]
步骤s1042：计算m个输入信号的协方差矩阵。
[0041]
步骤s1043：根据协方差矩阵与第一权向量计算波达方向的信干噪比。
[0042]
步骤s1044：以信干噪比递增为约束条件调整第一权向量，并返回根据协方差矩阵与第一权向量计算波达方向的信干噪比的步骤。
[0043]
步骤s1045：当满足预设条件时结束调整第一权向量，并将当前的第一权向量作为最佳权向量。
[0044]
具体地，在一实施例中，上述根据协方差矩阵与权向量计算信干噪比公式如下：
[0045][0046]
式中，sinr为信干噪比，σ是信号功率，θk是接收到的目标方向信号的期望到达角，a(θk)是与θk相关的导向矢量，(可以理解为目标方向信号的方向矢量，导向矢量为现有技术，在此不再赘述),r
i+n
为输入信号的干扰和白噪声的协方差矩阵，w是权向量，wh是权向量的转置共轭矩阵。上式表示目标方向信号能量与干扰和噪声之和能量的比值。
[0047]
首先根据m个输入信号得到协方差矩阵，之后设置初始的权向量为第一权向量一并带入公式计算信干噪比sinr。以信干噪比递增为原则，对第一权向量进行调整，保证每次调整后得到的信干噪比不小于上一次的值，循环调整多次直至满足预设条件为止。并以最新的最佳权向量作为目标权向量。本发明实施例中，设置的预设条件可以是在执行指定次数(例如100次)循环后停止调整；或者当生成的信干噪比大于指定阈值时停止调整。
[0048]
具体地，在一实施例中，上述步骤s1045，具体包括如下步骤：
[0049]
步骤s1046：当信干噪比在连续预设次数内的变化量小于预设阈值时，结束调整第一权向量。具体地，预设条件为指定次数得到的权向量往往还有上升空间，其误差较大；预设条件为大与指定阈值再停止调整，往往因为指定阈值设定的不合理使得程序进入死循环。从而在本发明实施例中，当每次调整得到的信干噪比其变换量连续多次小于预设阈值时停止调整，既不会造成误差过大的情况，也不会进入死循环。例如：当信干噪比连续十次的变化量与上一次相比不超过2％，即停止调整权向量。
[0050]
通过执行上述各个步骤，本发明实施例提供的一种mimo雷达的波束成形方法。将m个发射机分别设置不同的通信码，并将多个发射机的发射信号使用对应的通信码进行编码；在每个接收机均接收到检测目标返回的m个检测信号时，每个接收机针对接收到的m个信号使用编码时的m个通信码对应解码，并将每个接收机中使用相同解码方法解码的接收信号进行合并；之后对合并的m个合并结果进行下变频得到m个输入信号，从而在不减少信号特征信息的前提下减少了输入信号的数量，之后利用输入信号计算协方差矩阵。用于波束成形的目标权向量是基于协方差矩阵计算得到的，通过上述步骤将协方差矩阵在不损失信号信息的前提下进行了降维，降低了目标权向量的计算复杂度，进一步消除了计算中的冗余信息，从而在得到准确的目标权向量的同时降低了模型实现的复杂度。最后使用目标权向量将所有输入信号加权合并生成精准度更高的导向波达方向的目标波束。
[0051]
如图2所示，本实施例还提供了一种mimo雷达的波束成形系统，其中mimo雷达包括m个发射机和n个接收机，任意一个接收机均接收m个检测目标返回信号，该系统包括：
[0052]
信号发射模块101，用于通过具有不同通信码的发射机编码m个发射信号，并发送m
个发射信号到检测目标。详细内容参见上述方法实施例中步骤s101的相关描述，在此不再进行赘述。
[0053]
信号接收模块102，用于分别利用每一个接收机接收检测目标返回的m个检测信号，并利用m个发射机对应的通信码对每一个接收机接收到的m个检测信号进行解码以生成m
×
n个接收信号。详细内容参见上述方法实施例中步骤s102的相关描述，在此不再进行赘述。
[0054]
信号处理模块103，用于将m
×
n个接收信号中使用相同通信码解码得到的接收信号进行合并得到m个合并结果，并将m个合并结果进行下变频转换以得到m个输入信号。详细内容参见上述方法实施例中步骤s103的相关描述，在此不再进行赘述。
[0055]
波束成形模块104，用于基于m个输入信号的协方差矩阵计算用于生成目标波束的目标权向量，以利用目标权向量加权合并全部输入信号生成目标波束。详细内容参见上述方法实施例中步骤s104的相关描述，在此不再进行赘述。
[0056]
本发明实施例提供的一种mimo雷达的波束成形系统，用于执行上述实施例提供的一种mimo雷达的波束成形方法，其实现方式与原理相同，详细内容参见上述方法实施例的相关描述，不再赘述。
[0057]
图3示出了本发明实施例的一种mimo雷达设备，该设备包括：
[0058]
m个发射机001和n个接收机002，分别用于信号的发送和接收；
[0059]
主控器003，分别与发射机001和接收机002连接，用于执行上述方法实施例中的mimo雷达波束成形方法。
[0060]
如图4所示，上述主控器作为基带处理模块包括：处理器901和存储器902，可以通过总线或者其他方式连接。
[0061]
处理器901可以为中央处理器(central processing unit，cpu)。处理器901还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现场可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。
[0062]
存储器902作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如上述方法实施例中的方法所对应的程序指令/模块。处理器901通过运行存储在存储器902中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中的方法。
[0063]
存储器902可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器901所创建的数据等。此外，存储器902可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器902可选包括相对于处理器901远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器901。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
[0064]
一个或者多个模块存储在存储器902中，当被处理器901执行时，执行上述方法实施例中的方法。
[0065]
具体地，在一实施例中，如图5所示，上述mimo雷达设备，还包括：
[0066]
低噪声放大器004，与接收机002连接，用于放大接收到的外部信号；
[0067]
滤波器005，与低噪声放大器004连接，用于对放大后的信号滤波。
[0068]
第一混频器006，与滤波器005连接，用于对接收到的信号进行下变频。
[0069]
第二混频器007，在主控器003和发射机001之间连接，用于对需要发送的信号进行上变频。
[0070]
移相器008，与第一混频器006和主控器003连接，用于对下变频后的信号进行移相。上述mimo雷达设备具体细节可以对应参阅上述方法实施例中对应的相关描述和效果进行理解，此处不再赘述。
[0071]
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，实现的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，rom)、随机存储记忆体(random access memory，ram)、快闪存储器(flash memory)、硬盘(hard disk drive，缩写：hdd)或固态硬盘(solid-state drive，ssd)等；存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
[0072]
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。