本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种基于lfmcw的mimo雷达信号处理方法，可用于基于lfmcw的mimo雷达目标检测。
背景技术：
多输入多输出(multipleinputmultipleoutput，mimo)雷达系统采用多天线发射分集的信号波形，多天线接收目标回波信号的体制。mimo雷达可以利用相位或频率编码等方法实现发射信号波形的分集，在波形设计上非常灵活。与传统雷达相比，mimo雷达在抗杂波、抗干扰、低截获、角度分辨率等性能方面具有明显优势。
线性调频连续波(linefrequencymodulatedcontinuouswave，lfmcw)雷达的频率调制随时间线性变化，具有峰值功率低、测距分辨率高、无距离盲区、体积小、结构简单成本低等优点，近年来应用较为广泛。
现有技术已经报道了一种利用时间分集的所谓mimo线性调频连续波雷达，即对发射信号在时间轴上进行区分，相同的发射信号在不同的时间周期内进行发射，这种方式容易造成资源浪费，且不是真正的波形分集mimo雷达。
技术实现要素：
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于lfmcw的mimo雷达信号处理方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种基于lfmcw的mimo雷达信号处理方法，包括：
s1：建立包括m个发射阵元和n个接收阵元的mimo雷达；
s2：利用所述mimo雷达发射一组正交频分lfmcw信号；
s3：根据所述正交频分lfmcw信号的回波信号，获得有效差拍信号；
s4：对所述有效差拍信号进行接收波束形成，获得接收波束形成输出；
s5：获得雷达距离扫描范围内的k个距离扫描点；
s6：根据所述k个距离扫描点获得一组扫描有效差拍信号；
s7：将所述接收波束形成输出与所述一组扫描有效差拍信号进行互相关，得到时空匹配滤波后的信号。
在本发明的一个实施例中，所述发射天线与所述接收天线均为等距线阵，所述m个发射阵元发射的信号为：
s(t)＝[s1(t),s2(t),...si(t),...sm(t)]t,i＝1,2,...m，
其中，si(t)为第i个发射阵元发射的信号，(·)t表示矩阵的转置。
在本发明的一个实施例中，所述s2包括：
根据雷达发射阵列的m个发射阵元，得到每个发射阵元产生的正交频分lfmcw信号：
其中，si(t)为第i个阵元产生的信号波形，δi为第i个阵元发射信号的初相，
在本发明的一个实施例中，所述s3包括：
s31：将所述n个接收阵元接收的回波信号y(t)与第一个发射阵元发射的信号s1(t)进行混频和低通滤波处理后，得到n个差拍信号sc(t)：
sc(t)＝[sc1(t),sc2(t),...scq(t),...scn(t)]t,q＝1,2,...n，
y(t)＝[y1(t),y2(t),...yq(t),...yn(t)]t,q＝1,2,...n，
其中，
s32：对所述差拍信号sc(t)中的每一个差拍信号scq(t)进行等间隔采样，获得采样后的差拍信号sc(n)：
sc(n)＝[sc1(n),sc2(n),...scq(n),...scn(n)]t,q＝1,2,...n，
其中，
s33：将所述采样后的差拍信号sc(n)乘以矩形窗函数w(n)，得到有效差拍信号sce(n)：
sce(n)＝[sce1(n),sce2(n),...sceq(n),...scen(n)]t,q＝1,2,...n，
其中，sceq(n)＝w(n)scq(n)，
在本发明的一个实施例中，所述s4包括：
根据有效差拍信号sce(n)，得到接收波束形成输出：
u(n)＝bt(θ0)sce(n)，
其中，θ0为形成的接收波束的指向，b(θ0)为接收导向矢量，b(θ0)＝[1,exp(j2πdrsinθ0/λ),...exp(j2πdr(n-1)sinθ0/λ)]t，λ为信号波长，dr为接收阵元的间距。
在本发明的一个实施例中，所述s5包括：
根据所述mimo雷达设定的参数和采样频率，确定雷达距离扫描范围和距离间隔，得到k个距离扫描点，其中，所述k个距离扫描点与所述mimo雷达之间的距离分别为r1,r2,...rk,...rk，k≥le。
在本发明的一个实施例中，所述s6包括：
s61：获得第k个距离扫描点的时延：
其中，c为光速，τk为第k个距离扫描点的时延，rk为第k个距离扫描点与所述mimo雷达之间的距离；
s62：根据发射导向矢量a(θ0)和第k个扫描点的时延τk，获得第k个扫描点的接收信号zk(t)：
zk(t)＝at(θ0)s(t-τk)
s(t-τk)＝[s1(t-τk),s2(t-τk),...si(t-τk),...sm(t-τk)]t,i＝1,2,...m
其中，a(θ0)＝[1,exp(j2πdtsinθ0/λ),...exp(j2πdt(m-1)sinθ0/λ)]t，dt为发射阵元间距，s(t-τk)表示第k个扫描点带时延的lfmcw信号，si(t-τk)表示第i个发射阵元第k个扫描点带时延的lfmcw信号：
s63：根据第k个扫描点的接收信号zk(t)和第一个发射阵元发射的信号s1(t)进行混频和低通滤波处理后，得到第k个扫描点的差拍信号hck(t)：
s64：对第k个扫描点的差拍信号hck(t)进行等间隔采样，获得采样后第k个扫描差拍信号hck(n)：
其中，采样时间为信号时宽t，采样频率fs，l＝fst为总采样点数，n为第n个采样点；
s65：对采样后第k个扫描差拍信号hck(n)乘以矩形窗函数w(n)，得到第k个扫描有效差拍信号hcek(n)：
hcek(n)＝w(n)hck(n)，
其中，n＝l′,l′ 1,...,l-1；
s66：重复步骤s61至s65，得到k个距离扫描点的一组扫描有效差拍信号：
hce1(n),hce2(n),...hcek(n),...hcek(n),k＝1,2,...,k。
在本发明的一个实施例中，所述s7包括：
根据所述接收波束形成输出u(n)与所述一组扫描有效差拍信号hce1(n),hce2(n),...hcek(n),...hcek(n)进行互相关，得到时空匹配滤波后的信号p：
p＝[p1,p2,...pk,...pk]t,k＝1,2,...,k
其中，
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明基于lfmcw的mimo雷达信号处理方法，利用频率编码，提出一种发射阵元同时发射一组正交lfmcw信号的mimo雷达，并给出其信号处理实现方法，利用扫描差拍信号对接收信号进行距离扫描，得到时空匹配滤波结果，实现雷达目标检测。
2、本发明基于lfmcw的mimo雷达信号处理方法，在抗杂波、抗干扰、低截获、峰值功率低、无距离盲区、距离及角度分辨率等方面具有明显优势。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于lfmcw的mimo雷达信号处理方法的流程示意图；
图2为发射信号频率顺序排列且初相为零时的信号处理全局距离扫描图；
图3为发射信号频率顺序排列且初相为零时的信号处理局部距离扫描图；
图4为发射信号频率顺序排列且初相为零时的信号处理波束扫描图；
图5为发射信号频率顺序随机排列，初相为零时的信号处理全局距离扫描图；
图6为发射信号频率顺序随机排列，初相为零时的信号处理局部距离扫描图；
图7为发射信号频率顺序排列，初相随机变化时的信号处理全局距离扫描图；
图8为发射信号频率顺序排列，初相随机变化时的信号处理局部距离扫描图。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种基于lfmcw的mimo雷达信号处理方法进行详细说明。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于lfmcw的mimo雷达信号处理方法的流程示意图。所述方法包括如下步骤：
s1：建立一个包括m个发射阵元和n个接收阵元的mimo雷达。
在本实施例中，设定所述mimo雷达的发射天线与接收天线均为等距线阵，且发射天线包括m个阵元，接收天线包括n个阵元。雷达的m个发射阵元发射的信号表达式为：
s(t)＝[s1(t),s2(t),...si(t),...sm(t)]t,i＝1,2,...m
其中，si(t)为第i个发射阵元发射的信号，(·)t表示矩阵的转置。
s2：利用所述mimo雷达发射一组正交频分lfmcw信号。
由于雷达发射阵列有m个阵元，每个阵元的发射信号具有不同的中心频率，占据不同的频带，因此可以得到m个信号波形，其中，第i个阵元产生的信号波形si(t)为：
其中，i为阵元序号，i＝1,2,...,m，δi为第i个阵元发射信号的初相；
s3：根据所述正交频分lfmcw信号的回波信号，获得有效差拍信号。
所述正交频分lfmcw信号通过发射天线向外辐射到空中，遇障碍物后返回，形成回波信号被接收天线接收，对所述回波信号进行混频、低通滤波处理，得到差拍信号后进行采样、截取，可以得到有效差拍信号。
具体地，所述s3包括：
s31：将所述n个接收阵元接收的回波信号y(t)与第一个发射阵元发射的信号s1(t)进行混频、低通滤波处理后，得到n个差拍信号sc(t)：
sc(t)＝[sc1(t),sc2(t),...scq(t),...scn(t)]t,q＝1,2,...n，
y(t)＝[y1(t),y2(t),...yq(t),...yn(t)]t,q＝1,2,...n，
其中，
s32：对差拍信号sc(t)的每一行，即每一个差拍信号scq(t)进行等间隔采样，采样时间t为信号时宽，设定采样频率fs，总采样点数l＝fst，采样后的差拍信号sc(n)表示为：
sc(n)＝[sc1(n),sc2(n),...scq(n),...scn(n)]t,q＝1,2,...n，
其中，
s33：将采样后的差拍信号sc(n)乘以矩形窗函数w(n)，得到有效差拍信号sce(n)：
sce(n)＝[sce1(n),sce2(n),...sceq(n),...scen(n)]t,q＝1,2,...n，
其中，sceq(n)＝w(n)scq(n)，
具体地，采样后的差拍信号sc(n)长为l点，n＝0,1,...l-1；但是此处只有后半部分n＝l′,...l-1有效，因此需要对采样后的差拍信号进行截取，矩形窗函数w(n)在n＝l′,...l-1是1，其余部分是0，因此采样后的差拍信号乘以矩形窗函数，就获得了截取后的信号，本实施例中有效时宽te＝0.9t，l′＝<0.1l>，因0.1l未必是整数，所以对其取整。截取之后的信号是有效差拍信号，这个信号是从l′开始的，n＝l′,...l-1。
s4：对所述有效差拍信号进行接收波束形成，获得接收波束形成输出。
设形成波束的指向为θ0，权系数为接收导向矢量b(θ0)，根据有效差拍信号sce(n)得到接收波束形成输出，表示为：
u(n)＝bt(θ0)sce(n)
其中，b(θ0)＝[1,exp(j2πdrsinθ0/λ),...exp(j2πdr(n-1)sinθ0/λ)]t，λ为信号波长，dr为接收阵元间距。
s5：获得雷达距离扫描范围内的k个距离扫描点。
根据所述mimo雷达设定的参数和采样频率，确定雷达距离扫描范围和距离间隔，得到k个距离扫描点，其中，所述k个距离扫描点与所述mimo雷达之间的距离分别为r1,r2,...rk,...rk，k≥le，le表示有效时宽内的采样点数。
s6：根据所述k个距离扫描点，计算得到一组扫描差拍信号，再对所述一组扫描差拍信号进行采样和截取，得到一组扫描有效差拍信号。
具体地，s6包括：
s61：获得第k个距离扫描点的时延：
其中，c为光速，τk为第k个距离扫描点的时延，rk为第k个距离扫描点与所述mimo雷达之间的距离。
s62：根据发射导向矢量a(θ0)和第k个扫描点的时延τk，获得第k个扫描点的接收信号zk(t)：
zk(t)＝at(θ0)s(t-τk)
s(t-τk)＝[s1(t-τk),s2(t-τk),...si(t-τk),...sm(t-τk)]t,i＝1,2,...m
其中，a(θ0)＝[1,exp(j2πdtsinθ0/λ),...exp(j2πdt(m-1)sinθ0/λ)]t，dt为发射阵元间距，s(t-τk)表示第k个扫描点带时延的lfmcw信号，si(t-τk)表示第i个发射阵元第k个扫描点带时延的lfmcw信号：
s63：根据第k个扫描点的接收信号zk(t)和第一个发射阵元发射的信号s1(t)，进行混频、低通滤波后得到第k个扫描点的差拍信号hck(t)：
s64：对第k个扫描点的差拍信号hck(t)进行等间隔采样，获得采样后第k个扫描差拍信号hck(n)：
其中，采样时间为信号时宽t，采样频率fs，l＝fst为总采样点数，n为第n个采样点。
s65：对采样后的第k个扫描差拍信号hck(n)乘以矩形窗函数，得到第k个扫描有效差拍信号hcek(n)：
hcek(n)＝w(n)hck(n)
其中，n＝l′,l′ 1,...,l-1，hcek(n)的长度为le＝l-l′。
s66：重复步骤s61至s65，得到k个距离扫描点的一组扫描有效差拍信号：
hce1(n),hce2(n),...hcek(n),...hcek(n),k＝1,2,...,k。
s7：接收波束形成的输出与一组扫描有效差拍信号进行互相关，得到时空匹配滤波结果。
根据步骤s4得到的接收波束形成输出u(n)与步骤s6得到的所述扫描有效差拍信号hce1(n),hce2(n),...hcek(n),...hcek(n)进行互相关，得到时空匹配滤波后的信号p：
p＝[p1,p2,...pk,...pk]t,k＝1,2,...,k
其中，
进一步地，本发明实施例的基于lfmcw的mimo雷达信号处理方法的效果可通过以下仿真进一步说明：
(1)仿真条件
假设所述mimo雷达的发射天线的阵元个数m＝4，接收天线的阵元个数n＝4，发射阵元间距dt＝λ/2，接收阵元间距dr＝λ/2；发射信号单个带宽b＝25mhz，时宽t＝300μs，有效时宽取0.9倍的时宽，即te＝270μs；差拍信号采样频率fs＝2.5mhz，采样点数l＝750点，有效时宽内的采样点数le＝675点；距离扫描点k＝2048点，对应最大扫描距离rk＝4500m。假设目标距离雷达2000m，目标与雷达的法线夹角为20°，信噪比snr＝10db。
(2)仿真内容与结果
仿真1：发射lfmcw信号频率顺序排列，即频率编码[c1,c2,c3,c4]＝[0,1,2,3]，且初相为零，利用本发明实施例的方法对目标回波信号进行信号处理，即波束指向θ0对准仿真设置的目标角度时，距离扫描点改变，从0m到4500m进行扫描，全局距离扫描图如图2所示，局部距离扫描图如图3所示，图中横坐标是距离，纵坐标是归一化幅度。由图2可以看出：目标对应的距离是2000m，与仿真设置的目标距离相同。由图3可以看出：距离向主瓣较宽，而距离分辨率δr＝c/2b＝6m，仿真结果不符合距离分辨率的理论计算结果。
仿真2：发射lfmcw信号频率顺序排列，即频率编码[c1,c2,c3,c4]＝[0,1,2,3]，且初相为零，利用本发明实施例的方法对目标回波信号进行空域搜索，即距离扫描点rk对准仿真设置的目标距离时，波束指向θ0改变，从-90°到90°进行扫描，接收导向矢量和发射导向矢量同时改变，得到双程扫描结果；常规相控阵雷达只能改变接收导向矢量，得到单程扫描结果，如图4所示，图中横坐标是角度，纵坐标是归一化幅度。由图4可以看出：目标对应的角度是20°，与仿真设置的目标角度相同；基于lfmcw的mimo雷达的波束扫描图波束主瓣宽度比常规相控阵雷达的窄，说明mimo雷达的角度分辨率更好，测角精度更高。
仿真3：发射lfmcw信号频率顺序随机排列，即频率编码设为[c1,c2,c3,c4]＝[0,3,1,2]，初相为零，利用本发明实施例的方法对目标回波信号进行信号处理，全局距离扫描图如图5所示，局部距离扫描图如图6所示，图中横坐标是距离，纵坐标是归一化幅度。由图5可以看出：目标对应的距离是2000m，与仿真设置的目标距离相同。由图6可以看出：距离向主瓣变窄，与距离分辨率的理论计算结果一致，距离分辨率提高。
仿真4：发射lfmcw信号频率顺序排列，即频率编码[c1,c2,c3,c4]＝[0,1,2,3]，初相随机变化，利用本发明实施例的方法对目标回波信号进行信号处理，全局距离扫描图如图7所示，局部距离扫描图如图8所示，图中横坐标是距离，纵坐标是归一化幅度。由图7可以看出：目标对应的距离是2000m，与仿真设置的目标距离相同。由图8可以看出：距离向主瓣变窄，与距离分辨率的理论计算结果一致，距离分辨率提高。
无论是仿真3中的改变发射信号频率顺序，还是仿真4中的改变发射信号初相，都不影响仿真2的波束扫描结果。本发明实施例提出的将lfmcw和mimo结合的新体制雷达及其信号处理方法可用，雷达天线阵列为均匀线阵时，发射信号频率顺序随机排列，或者发射信号的初相随机变化，可有效提高距离分辨率。
综上，本发明实施例基于lfmcw的mimo雷达信号处理方法，利用频率编码，提出一种发射阵元同时发射一组正交lfmcw信号的mimo雷达，并给出其信号处理实现方法，利用扫描差拍信号对接收信号进行距离扫描，得到时空匹配滤波结果，实现雷达目标检测。在抗杂波、抗干扰、低截获、峰值功率低、无距离盲区、距离及角度分辨率等方面具有明显优势。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
1.一种基于lfmcw的mimo雷达信号处理方法，其特征在于，包括：
s1：建立包括m个发射阵元和n个接收阵元的mimo雷达；
s2：利用所述mimo雷达发射一组正交频分lfmcw信号；
s3：根据所述正交频分lfmcw信号的回波信号，获得有效差拍信号；
s4：对所述有效差拍信号进行接收波束形成，获得接收波束形成输出；
s5：获得雷达距离扫描范围内的k个距离扫描点；
s6：根据所述k个距离扫描点获得一组扫描有效差拍信号；
s7：将所述接收波束形成输出与所述一组扫描有效差拍信号进行互相关，得到时空匹配滤波后的信号。
2.根据权利要求1所述的基于lfmcw的mimo雷达信号处理方法，其特征在于，所述发射天线与所述接收天线均为等距线阵，所述m个发射阵元发射的信号为：
s(t)＝[s1(t),s2(t),...si(t),...sm(t)]t,i＝1,2,...m，
其中，si(t)为第i个发射阵元发射的信号，(·)t表示矩阵的转置。
3.根据权利要求2所述的基于lfmcw的mimo雷达信号处理方法，其特征在于，所述s2包括：
根据雷达发射阵列的m个发射阵元，得到每个发射阵元产生的正交频分lfmcw信号：
其中，si(t)为第i个阵元产生的信号波形，δi为第i个阵元发射信号的初相，
4.根据权利要求1所述的基于lfmcw的mimo雷达信号处理方法，其特征在于，所述s3包括：
s31：将所述n个接收阵元接收的回波信号y(t)与第一个发射阵元发射的信号s1(t)进行混频和低通滤波处理后，得到n个差拍信号sc(t)：
sc(t)＝[sc1(t),sc2(t),...scq(t),...scn(t)]t,q＝1,2,...n，
y(t)＝[y1(t),y2(t),...yq(t),...yn(t)]t,q＝1,2,...n，
其中，
s32：对所述差拍信号sc(t)中的每一个差拍信号scq(t)进行等间隔采样，获得采样后的差拍信号sc(n)：
sc(n)＝[sc1(n),sc2(n),...scq(n),...scn(n)]t,q＝1,2,...n，
其中，
s33：将所述采样后的差拍信号sc(n)乘以矩形窗函数w(n)，得到有效差拍信号sce(n)：
sce(n)＝[sce1(n),sce2(n),...sceq(n),...scen(n)]t,q＝1,2,...n，
其中，sceq(n)＝w(n)scq(n)，
5.根据权利要求4所述的基于lfmcw的mimo雷达信号处理方法，其特征在于，所述s4包括：
根据有效差拍信号sce(n)，得到接收波束形成输出：
u(n)＝bt(θ0)sce(n)，
其中，θ0为形成的接收波束的指向，b(θ0)为接收导向矢量，b(θ0)＝[1,exp(j2πdrsinθ0/λ),...exp(j2πdr(n-1)sinθ0/λ)]t，λ为信号波长，dr为接收阵元的间距。
6.根据权利要求5所述的基于lfmcw的mimo雷达信号处理方法，其特征在于，所述s5包括：
根据所述mimo雷达设定的参数和采样频率，确定雷达距离扫描范围和距离间隔，得到k个距离扫描点，其中，所述k个距离扫描点与所述mimo雷达之间的距离分别为r1,r2,...rk,...rk，k≥le。
7.根据权利要求6所述的基于lfmcw的mimo雷达信号处理方法，其特征在于，所述s6包括：
s61：获得第k个距离扫描点的时延：
其中，c为光速，τk为第k个距离扫描点的时延，rk为第k个距离扫描点与所述mimo雷达之间的距离；
s62：根据发射导向矢量a(θ0)和第k个扫描点的时延τk，获得第k个扫描点的接收信号zk(t)：
zk(t)＝at(θ0)s(t-τk)
s(t-τk)＝[s1(t-τk),s2(t-τk),...si(t-τk),...sm(t-τk)]t,i＝1,2,...m
其中，a(θ0)＝[1,exp(j2πdtsinθ0/λ),...exp(j2πdt(m-1)sinθ0/λ)]t，dt为发射阵元间距，s(t-τk)表示第k个扫描点带时延的lfmcw信号，si(t-τk)表示第i个发射阵元第k个扫描点带时延的lfmcw信号：
s63：根据第k个扫描点的接收信号zk(t)和第一个发射阵元发射的信号s1(t)进行混频和低通滤波处理后，得到第k个扫描点的差拍信号hck(t)：
s64：对第k个扫描点的差拍信号hck(t)进行等间隔采样，获得采样后第k个扫描差拍信号hck(n)：
其中，采样时间为信号时宽t，采样频率fs，l＝fst为总采样点数，n为第n个采样点；
s65：对采样后第k个扫描差拍信号hck(n)乘以矩形窗函数w(n)，得到第k个扫描有效差拍信号hcek(n)：
hcek(n)＝w(n)hck(n)，
其中，n＝l′,l′ 1,...,l-1；
s66：重复步骤s61至s65，得到k个距离扫描点的一组扫描有效差拍信号：
hce1(n),hce2(n),...hcek(n),...hcek(n),k＝1,2,...,k。
8.根据权利要求7所述的基于lfmcw的mimo雷达信号处理方法，其特征在于，所述s7包括：
根据所述接收波束形成输出u(n)与所述一组扫描有效差拍信号hce1(n),hce2(n),...hcek(n),...hcek(n)进行互相关，得到时空匹配滤波后的信号p：
p＝[p1,p2,...pk,...pk]t,k＝1,2,...,k
其中，
