本發(fā)明涉及陣列雷達(dá)波束形成，尤其涉及一種基于最小二乘準(zhǔn)則的毫米波mimo雷達(dá)陣列幅相誤差校準(zhǔn)方法。

背景技術(shù)：

1、毫米波雷達(dá)因體積小、重量輕、可在極端天氣下正常工作等優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)駕駛和高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)陣列雷達(dá)需要更多陣元以提升角度分辨率，導(dǎo)致計(jì)算復(fù)雜度和成本增加。相比之下，多輸入多輸出(mimo)雷達(dá)利用較少的天線合成虛擬陣列，提供更高的測(cè)量精度并降低成本，因此廣泛應(yīng)用于自動(dòng)駕駛中。

2、現(xiàn)代汽車(chē)?yán)走_(dá)是利用天線陣列和波束形成算法實(shí)現(xiàn)大角度掃描，這項(xiàng)技術(shù)在自動(dòng)駕駛和高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(adas)中起著至關(guān)重要的作用。然而，該技術(shù)對(duì)陣列誤差極為敏感。當(dāng)mimo雷達(dá)的發(fā)射陣列和接收陣列存在陣元誤差時(shí)，理想陣列流型與實(shí)際陣列流型之間會(huì)產(chǎn)生模型失配，導(dǎo)致傳統(tǒng)算法的性能急劇下降，波束形成器將會(huì)產(chǎn)生高旁瓣，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)淖冎鞑ㄊ闹赶颉?/p>

3、高旁瓣會(huì)引入額外的干擾信號(hào)，使得雷達(dá)無(wú)法準(zhǔn)確地檢測(cè)和定位目標(biāo)，這對(duì)自動(dòng)駕駛車(chē)輛的安全性構(gòu)成了重大威脅。此外，主波束指向的改變會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)無(wú)法正確識(shí)別前方物體的距離和方向，影響車(chē)輛的決策和控制。因此，對(duì)于車(chē)載毫米波mimo雷達(dá)而言，進(jìn)行精確的誤差校準(zhǔn)至關(guān)重要。

4、針對(duì)幅相誤差，學(xué)者們提出了多種校準(zhǔn)算法，其中包括根據(jù)是否需要設(shè)置方位準(zhǔn)確的校準(zhǔn)源分為兩類(lèi)，一類(lèi)是有源校準(zhǔn)算法，另一種是自校準(zhǔn)算法。有源校準(zhǔn)算法通過(guò)在已知方位上設(shè)置輔助信源來(lái)對(duì)幅相誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。但是估計(jì)精確度受輔助源方位精度的影響，輔助源方位的精度越高則估計(jì)的誤差精度就越高，反之，估計(jì)效果會(huì)大大降低。除此之外，有源校準(zhǔn)算法在實(shí)際環(huán)境不便設(shè)置輔助源時(shí)受到限制。而自校準(zhǔn)算法不需要設(shè)置已知方位的輔助信源，而是通過(guò)某種優(yōu)化函數(shù)來(lái)聯(lián)合估計(jì)誤差參數(shù)和信源方位。傳統(tǒng)的自校準(zhǔn)方法，例如paulraj提出的一種利用均勻線陣的理想?yún)f(xié)方差矩陣具有toeplitz結(jié)構(gòu)，進(jìn)行陣列通道幅相誤差估計(jì)，但該方法幅相誤差估計(jì)結(jié)果中存在旋轉(zhuǎn)不確定性，需要額外的信息來(lái)解決。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中自校準(zhǔn)算法存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于最小二乘準(zhǔn)則的毫米波mimo雷達(dá)陣列幅相誤差校準(zhǔn)方法，利用了迭代優(yōu)化技術(shù)，通過(guò)交替最小化代價(jià)函數(shù)來(lái)逐步逼近全局最優(yōu)解，減少旋轉(zhuǎn)不確定性對(duì)最終幅相誤差矩陣估計(jì)的影響，提高了波束指向的準(zhǔn)確性和誤差校準(zhǔn)算法的魯棒性。

2、本發(fā)明提供的一種基于最小二乘準(zhǔn)則的毫米波mimo雷達(dá)陣列幅相誤差校準(zhǔn)方法，包括：

3、步驟1：初始化迭代次數(shù)n＝0、估計(jì)的幅相誤差矩陣收斂閾值ε；其中，i為單位矩陣，mt為雷達(dá)陣列發(fā)射天線個(gè)數(shù)，mr為雷達(dá)陣列接收天線個(gè)數(shù)。每次迭代過(guò)程包括步驟2～5；

4、步驟2：固定g，掃描來(lái)波方向θ，根據(jù)公式(1)最小化代價(jià)函數(shù)j更新目標(biāo)方位角度θd：

5、

6、式中，w為實(shí)際雷達(dá)陣列的導(dǎo)向矢量，上角標(biāo)h表示共軛轉(zhuǎn)置，a(θ)為陣列流形矩陣，a(θd)為目標(biāo)信號(hào)的導(dǎo)向矢量。

7、步驟3：由步驟2求出的θd固定a(θd)，根據(jù)公式(2)最小化代價(jià)函數(shù)j′更新g如下：

8、j′＝min||whg-ah(θd)||????(2)

9、步驟4：由更新的g計(jì)算當(dāng)前迭代中的估計(jì)誤差jn如下：

10、jn＝gw-a(θd)????????(3)

11、步驟5：在滿(mǎn)足jn-1-jn＞ε時(shí)，n自增1，返回步驟2繼續(xù)迭代；否則，結(jié)束迭代。

12、步驟6：利用最終迭代得到的幅相誤差矩陣g的估計(jì)值，對(duì)所述毫米波mimo雷達(dá)接收到的信號(hào)進(jìn)行誤差校準(zhǔn)。

13、進(jìn)一步的，所述步驟2包括：

14、步驟2-1：在單基地mimo雷達(dá)檢測(cè)單個(gè)靜止目標(biāo)時(shí)，目標(biāo)信號(hào)的導(dǎo)向矢量等于發(fā)射陣列導(dǎo)向矢量at(θd)和接收陣列導(dǎo)向矢量ar(θd)作克羅內(nèi)克積，即

15、步驟2-2：采集t時(shí)刻的雷達(dá)天線陣列接收信號(hào)x(t)，再計(jì)算接收信號(hào)x(t)的協(xié)方差矩陣rx；對(duì)協(xié)方差矩陣rx進(jìn)行特征值分解，得到最大的特征值，此時(shí)對(duì)應(yīng)的特征矢量為實(shí)際陣列的導(dǎo)向矢量w；

16、步驟2-3：根據(jù)公式(4)，掃描來(lái)波方向θ，得到對(duì)應(yīng)的j1最小值，對(duì)應(yīng)的角度為校準(zhǔn)后的期望信號(hào)θd；

17、

18、其中a(θ)是掃描角度對(duì)應(yīng)導(dǎo)向矢量。

19、進(jìn)一步的，所述步驟3包括：

20、步驟3-1：根據(jù)步驟2-3得到的目標(biāo)信號(hào)值θd代入導(dǎo)向矢量a(θd)，計(jì)算公式(2)，確定g。

21、步驟3-2：為避免幅相誤差矩陣g不可逆，將其轉(zhuǎn)化為最小二乘的形式得到公式(5)。

22、g＝diag(whw)-1wha(θd)????(5)

23、其中上角標(biāo)-1表示求逆矩陣。

24、本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有以下有益效果：本發(fā)明提供的基于最小二乘準(zhǔn)則的毫米波mimo雷達(dá)陣列幅相誤差校準(zhǔn)方法無(wú)需輔助源，通過(guò)迭代優(yōu)化技術(shù)，有效校準(zhǔn)傳感器的幅度和相位誤差，顯著提高了dbf(數(shù)字波束形成)波束指向的準(zhǔn)確性和誤差校準(zhǔn)系統(tǒng)魯棒性，減少旋轉(zhuǎn)不確定性對(duì)最終幅相誤差矩陣估計(jì)的影響，特別適用于自動(dòng)駕駛和高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)中，顯著提高了雷達(dá)在這些應(yīng)用中的可靠性和安全性。

技術(shù)特征：

1.一種基于最小二乘準(zhǔn)則的毫米波mimo雷達(dá)陣列幅相誤差校準(zhǔn)方法，其特征在于，該方法通過(guò)迭代方式不斷更新雷達(dá)陣列幅相誤差矩陣g和目標(biāo)方位角度θd，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于最小二乘準(zhǔn)則的毫米波mimo雷達(dá)陣列幅相誤差校準(zhǔn)方法，其特征在于，所述步驟2包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于最小二乘準(zhǔn)則的毫米波mimo雷達(dá)陣列幅相誤差校準(zhǔn)方法，其特征在于，所述的步驟3包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明是一種基于最小二乘準(zhǔn)則的毫米波MIMO雷達(dá)陣列幅相誤差校準(zhǔn)方法，屬于毫米波雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明方法包括：首先初始化幅相誤差矩陣G，并設(shè)置收斂閾值；其次固定G，掃描來(lái)波方向角度，獲取代價(jià)函數(shù)J最小時(shí)的期望目標(biāo)方位角度θ<subgt;D</subgt;；然后將θ<subgt;D</subgt;固定，求取最小化代價(jià)函數(shù)J’時(shí)的矩陣G；由當(dāng)前確定的G和θ<subgt;D</subgt;計(jì)算估計(jì)誤差，判斷是否滿(mǎn)足收斂條件；若不滿(mǎn)足，重復(fù)迭代優(yōu)化G和θ<subgt;D</subgt;直至滿(mǎn)足收斂條件；最后輸出最終估計(jì)的G和θ<subgt;D</subgt;并用于真實(shí)導(dǎo)向矢量補(bǔ)償，完成校準(zhǔn)。本發(fā)明無(wú)需輔助源，利用迭代優(yōu)化技術(shù)有效校準(zhǔn)傳感器的幅度和相位誤差，減少旋轉(zhuǎn)不確定性對(duì)最終幅相誤差矩陣估計(jì)的影響，提高了波束指向的準(zhǔn)確性和誤差校準(zhǔn)系統(tǒng)魯棒性。

技術(shù)研發(fā)人員：楊彬,董曌,王俊,何貴棟,胡朕朕
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21