MIMO雷达系统及其目标端相位同步方法 |
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| 申请号 | CN201410035770.X | 申请日 | 2014-01-24 | 公开(公告)号 | CN103777180B | 公开(公告)日 | 2016-04-06 |
| 申请人 | 深圳大学; | 发明人 | 谢宁; 张莉; 王晖; 林晓辉; 曾捷; | ||||
| 摘要 | 本 发明 适用于无线通信技术领域，提供了一种MIMO雷达系统及其目标端 相位 同步 方法。利用三个时隙内 信号 的反馈重传，以及对前两个时隙接收到的信号的 频率 相位参数进行估计用以构建下一个时隙的反馈信号的方式实现目标端的信号相位完全同步，无论MIMO雷达系统中有多少个雷达阵元，实现单个目标端 相位同步 只需要三个不重叠时隙即可。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种MIMO雷达系统的目标端相位同步方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤： |
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| 说明书全文 | MIMO雷达系统及其目标端相位同步方法技术领域背景技术[0002] 雷达技术，特别是MIMO雷达技术近几十年得到了广泛的应用，关于MIMO雷达中相位同步的研究也越来越多。相位是否同步直接关系到信号的合并能量值。考虑雷达中目标追踪功能时，接收端接收信号的能量越大，越有利于我们进行有用信号的提取从而对目标的参数进行估计。 [0003] MIMO雷达系统中已有关于相位同步的研究包含源端相位同步技术、接收端相位同步技术。对于分布式MIMO雷达系统来说，源端相位同步实现的过程占用的时隙较多，对于M个雷达需要2M-1个时隙来实现所有基站的节点同步。对于接收端相位同步来说，现有的方法包含master-slave closed loop 方法、round-trip方法、broadcast consensus方法。其中，master-slave closed loop方法能够简单实现良好的接收端相位同步，但是一旦主节点崩溃，整个相位同步系统崩溃，稳定性较差；round-trip方法利用非解调的信标信号沿着所有雷达阵元环行一圈保证每个阵元都能经过，其性能容易受网络拓扑结构和单个雷达的传输累积相位频率估算误差的影响；broadcast consensus方法不受网络拓扑的限制，但是由于采用的是迭代方式需要多次信号发射才能达到状态收敛。 [0004] 其他已有的相位同步方法大多数和上述几种方法一样，有的需要固定的网络拓扑结构，有的稳定性能不好，有的收敛性太慢，从而导致网络的寿命大大减小。 [0005] MIMO雷达中，由于来自同一个反射目标的反射信号到接收端的相位不同，导致雷达接收阵元接收到的合并信号的能量值大小在一个较大范围内变化，如信号相位差很大（投影到一个相位周期后为π时），其信号累加能量值为最小，而相位差很小（如投影到一个相位周期后为0时），其信号累加能量为最大。 发明内容[0006] 鉴于上述原因，本发明所要解决的第一个技术问题在于提供一种MIMO雷达系统的目标端相位同步方法，旨在使达到接收端的信号的累加能量值始终处于最大的状态。 [0007] 本发明是这样实现的，一种MIMO雷达系统的目标端相位同步方法，所述方法包括下述步骤： [0008] 步骤A，第一个时隙初，雷达发射阵元发射初始信号，所述初始信号经目标端反射后由雷达接收阵元接收，雷达接收阵元对所接收信号的频率参数和相位参数进行估计； [0009] 步骤B，第二个时隙初，雷达接收端阵元利用在第一时隙估计出来的频率参数和相位参数构建雷达接收阵元的反馈信号的初始频率和相位，并在第二时隙初由雷达接收阵元将所述反馈信号发射出去； [0010] 步骤C，第二个时隙末，雷达发射阵元接收到第二个时隙初雷达接收阵元发射后由目标端反射的所述反馈信号，并对所述反馈信号的频率参数和相位参数进行估计； [0011] 步骤D，第三个时隙初，雷达发射阵元利用第二时隙末估计出来的反馈信号的频率参数和相位参数重新构建雷达发射阵元的发射信号的初始频率和相位，在第三个时隙由雷达发射阵元将重新构建的发射信号发射出去，实现到达目标端的接收信号相位同步。 [0012] 本发明所要解决的第二个技术问题在于提供一种MIMO雷达系统，包括雷达发射阵元、目标端、雷达接收阵元，所述雷达发射阵元用于在第一个时隙初发射初始信号，所述初始信号经目标端反射后由雷达接收阵元接收，所述雷达接收阵元对所接收信号的频率参数和相位参数进行估计，并在第二个时隙初利用在第一时隙估计出来的频率参数和相位参数构建雷达接收阵元的反馈信号的初始频率和相位，并在第二时隙初由雷达接收阵元将所述反馈信号发射出去； [0013] 所述雷达发射阵元用于在第二个时隙末接收到由目标端反射的所述反馈信号后，对所述反馈信号的频率参数和相位参数进行估计，并在第三个时隙初利用第二时隙末估计出来的反馈信号的频率参数和相位参数重新构建雷达发射阵元的发射信号的初始频率和相位，然后在第三个时隙由雷达发射阵元将重新构建的发射信号发射出去，实现到达目标端的接收信号相位同步。 [0014] 本发明充分利用了一次反馈信号（第二时隙初）和一次雷达监测信号（第三时隙初）的频率和相位估算参数。两次对信号的频率和相位估算都会包含频率和相位估算误差在内，但根据一般估计器的原理，在SNR(Signal to Noise Ratio，信噪比)较高的情况下，我们可以得到估算误差很小的对应参数的估计值。此外，重新构建频率和相位参数的时候，为实现单个目标端的相位同步，第二个时隙初和第三个时隙初构建新的初始发射频率和相位有所区别，无论MIMO雷达系统中有多少个雷达阵元，实现单个目标端相位同步只需要三个不重叠时隙即可。附图说明 [0015] 图1是本发明提供的MIMO雷达系统的单个目标端相位同步方法的实现流程图； [0016] 图2是本发明提供的两发射---一目标---两接收架构的MIMO雷达系统的示意图。 具体实施方式[0017] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 [0018] 本发明中，具体利用三个时隙内信息的反馈重传，以及对前两个时隙接收到的信号的频率相位参数进行估计用以构建下一个时隙的反馈信号的方式实现目标端的信号相位完全同步。 [0019] 图1示出了本发明提供的MIMO雷达系统的目标端相位同步方法的实现流程，详述如下。 [0020] 步骤A，第一个时隙初，雷达发射阵元发射初始信号，所述初始信号经目标端反射后由雷达接收阵元接收，雷达接收阵元对所接收信号的频率参数和相位参数进行估计。 [0021] 如图2所示，本发明仅以两个发射雷达两个接收雷达一个反射目标的MIMO雷达系统描述目标端信号的相位同步。 [0022] 第一个时隙初，两个发射雷达阵元发射初始信号，其中初始发射相位发射端晶振产生的相位偏移χ1(t1,1)χ2(t2,1)，发射载波频率ω1(1),ω2(1)，t1,t2分别为发射端的本地时间，与参考时间t的关系可以表示如下： [0023] tm=βm(t+Δm) (1) [0024] 其中βm,Δm分别为每个雷达阵元相对于参考时间的相对速率和时间偏移量，m=1、2。 [0026] [0027] 其中s1(t1),s2(t2)分别表示第一个时隙两个发射雷达端的发射波形。除了初始发射相位的影响，我们还需要考虑信道相位的影响，信道相位与只与该时隙的载波频率ωm(n)以及发射雷达阵元和接收雷达阵元之间的距离dm有关系，可以表示如下： [0028] [0029] 式中，(d,θ)为目标在极坐标上的半径和角度信息，(rm,0)为雷达阵元在极坐标上的半径和角度信息，c是光速。 [0030] 同时我们考虑每个信道的幅度响应，定义为αm(1)，和第n个时隙内的第m个雷达阵元端的噪声n(tm,n)，定义为0均值，方差为σ2的高斯白噪声，上述(2)中的信号达到目标经反射目标反射至接收端，接收端接收到的信号表示如下： [0031] [0032] [0033] 由于发射波形的正交特性，可以将接收信号相对于不同发射雷达阵元的部分提取出来，表示如下： [0034] [0035] [0037] [0038] [0039] [0040] (11) [0041] 其中， 分别为频率估算的误差，分别为相位估算的误差。对于多参数的估计，一般我们无法得到准确的频率参数和和相位参数估计值 但是我们可以通过构建 Fisher information matrix获得参数估计的误差方差的Cramer-Rao下界，从而产生一个估算误差，而实际的包含误差的估算值即为理想参数值和估算误差值的和。 [0042] 步骤B，第二个时隙初，雷达接收端阵元利用在第一时隙估计出来的频率参数和相位参数构建雷达接收阵元的反馈信号的初始频率和相位，并在第二时隙由雷达接收阵元将所述反馈信号发射出去。 [0043] 在第二个时隙初，两个接收雷达利用估算出来的频率和相位构建出新的载波频率和相位，作为第二个时隙内反馈信号的初始发 射频率和相位，构建方法如下： [0044] [0045] [0046] 两个接收雷达第二个时隙以新构建的频率和相位发射信号，得到如下发射信号： [0047] [0048] 步骤C，第二个时隙末，雷达发射阵元接收到第二个时隙初雷达接收阵元发射后由目标端反射的所述反馈信号，并对所述反馈信号的频率参数和相位参数进行估计。 [0049] 公式（1.14）发射信号经反射目标反射回两个雷达发射端，得到的接收信号可以表示如下： [0050] [0051] [0052] 此时发射雷达端利用参数估计算法，估算(15)(16)中信号的频率和相位，考虑估算误差，得到第二个时隙末的发射雷达端的频率和相位参数估计如下： [0053] [0054] [0055] [0056] [0057] 步骤D，第三个时隙初，雷达发射阵元利用第二时隙末估计出来的反馈信号的频率参数和相位参数重新构建雷达发射阵元的发射信号的初始频率和相位，并在第三个时隙由雷达发射阵元将重新构建的发射信号发射出去，实现到达目标端的接收信号相位同步。 [0058] 第三个时隙初，两个发射雷达阵元利用上一时隙估算出的包含估算误差的频率和相位参数构建新的频率相位，作为第三个时隙初的初始发射频率和相位： [0059] [0060] [0061] 可以得出，两个发射雷达阵元在第三个时隙初发射出去的信号表示如下： [0062] [0063] 对于目标端，第三个时隙来自不同发射雷达阵元的到达信号分别可以表示为： [0064] [0065] [0066] 考虑估算误差时，第三个时隙内到达目标端的信号的频率参数可以得出如下： [0067] [0068] [0069] 从上式(26)和(27)可知,第三个时隙到达目标端的两个信号的载波频率在频率和相位参数没有估算误差时可以视为完全相等,在实际场景中,由于参数估计算法本身的特点以及MIMO radar系统中噪声、干扰等因素的存在，估算误差总是不可避免的。然而在实际的场景中，我们总能得到较理想的估算误差，从而可以认为第三个时隙到达目标端的两个信号的载波频率近似相等。 [0070] 考虑估算误差时，第三个时隙内到达目标端的信号的相位参数可以得出如下： [0071] [0072] [0073] 从而可以得到第三个时隙内，到达目标端的信号的相位差可以表示如下： [0074] [0075] 由(30)式可知，不考虑频率，相位估算误差以及相位噪声时，得到第三个时隙内，到达目标端的信号的相位差可以表示如下： [0076] [0077] 而前面已经分析过，第二个时隙内雷达接收阵元的发射载波频率由(12)给出，而第三个时隙雷达发射阵元的载波频率由(21)给出，假设MIMO系统理想情况下参数的估算的误差非常小可以忽略不计，注意到雷达阵元端存在本地时间相对参考时间的变化率，若转换到参考时间上看，即从信道的角度上来说，可以认为第二个时隙和第三个时隙内信道上的载波频率是完全一致的，根据式(3)给出的信道相位的定义可以得出如下结论： [0078] φ1(3)=φ1(2) [0079] φ2(3)=φ2(2) (32) [0080] 将(32)代入(31)可知 [0081] [0082] 此时，目标端到达信号的相位差完全由时间偏移量决定，如果没有时间偏移，可认为达到完全同步，需要引起注意的是，时间偏移量是个非常小的值，因此即使考虑时间偏移量，相位差仍然是个很小的值；考虑估算误差时，基于大部分的参数估计器（如ML估计器等）在SNR高的时候，估算误差的方差很小，因此，SNR高的时候，我们仍然可以达到理想的相位同步。 [0083] 进一步地，本发明还提供了一种MIMO雷达系统，包括雷达发射阵元、目标端、雷达接收阵元，其中，雷达发射阵元、目标端、雷达接收阵元的功能原理如上文所述，此处不再赘述。 [0084] 综上所述，在SNR较高的时候，目标端可以达到理想相位同步的状态。本发明采用三个时隙内对信号的频率和相位参数进行估计，并利用估计参数构建新的频率和相位参数，由雷达阵元发射反馈信号的方式实现目标端的理想相位同步。与现有的源端和接收端相位同步技术相比，在雷达数量较多的时候需要的时隙数量大大减少，且提出的相位同步技术对雷达系统的网络拓扑结构要求不高，也不需要多次迭代达到状态收敛的效果，因此大大减小了网络的功耗，延长了网络的使用寿命。 |
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