本發(fā)明涉及波達(dá)方向估計(jì)技術(shù)，尤其涉及一種多輸入多輸出(multiple-inputmultiple-output，mimo)雷達(dá)波達(dá)方向估計(jì)方法和裝置。

背景技術(shù)：

波達(dá)方向(directionofarrival，doa)估計(jì)作為陣列信號(hào)處理的重要研究?jī)?nèi)容之一，在聲納，雷達(dá)，無(wú)線通信系統(tǒng)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。目前，現(xiàn)有的doa估計(jì)理論已經(jīng)發(fā)展得相對(duì)成熟，doa估計(jì)方法如多重信號(hào)分類(multiplesignalclassification，music)算法、旋轉(zhuǎn)不變子空間算法(estimatingsignalparameterviarotationalinvariancetechniques，esprit)算法應(yīng)用比較廣泛，但是在低信噪比、小快拍情況下該類算法性能急劇下降，不適合日趨復(fù)雜的通信環(huán)境。

為了解決上述問(wèn)題，提出了基于壓縮感知理論的doa估計(jì)算法；目前研究的基于壓縮感知理論的doa估計(jì)算法包括：針對(duì)doa估計(jì)提出的一種l1-svd算法(參見(jiàn)ieeetrans.signalprocess.2005，53(8)：3010-3022)、l1-sracv算法(參見(jiàn)ieeetrans.signalprocess.2011，59(2)：629-638)和cmsr算法(參見(jiàn)ieeetrans.aerosp.electron.syst.2013，49(3))、實(shí)域l1-svd算法(參見(jiàn)ieeeantennaswirelesspropag.lett.2013，12：376-379)，然而這些算法運(yùn)算復(fù)雜度較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明實(shí)施例期望提供一種mimo雷達(dá)波達(dá)方向估計(jì)方法和裝置，能夠降低進(jìn)行mimo雷達(dá)波達(dá)方向估計(jì)時(shí)的運(yùn)算復(fù)雜度。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種多輸入多輸出mimo雷達(dá)波達(dá)方向估計(jì)方法，所述mimo雷達(dá)的天線陣列為用于發(fā)射信號(hào)并接收回波信號(hào)的m元均勻線陣；所述方法包括：

利用mimo雷達(dá)天線陣列接收回波信號(hào)，對(duì)所述回波信號(hào)進(jìn)行匹配濾波處理，得出接收數(shù)據(jù)；

構(gòu)造與mimo雷達(dá)天線陣列陣元個(gè)數(shù)有關(guān)的可逆矩陣，利用所述可逆矩陣對(duì)所述接收數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，得出降維處理后數(shù)據(jù)；

基于降維處理后數(shù)據(jù)構(gòu)造所述接收數(shù)據(jù)的稀疏表示模型，基于所構(gòu)造的稀疏表示模型對(duì)mimo雷達(dá)波達(dá)方向進(jìn)行估計(jì)。

上述方案中，所述利用所述可逆矩陣對(duì)所述接收數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，得出降維處理后數(shù)據(jù)，包括：

利用預(yù)設(shè)的降維矩陣對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行第一次降維處理，得出第一降維數(shù)據(jù)；利用所述可逆矩陣對(duì)第一降維數(shù)據(jù)進(jìn)行第二次降維處理，得出降維處理后數(shù)據(jù)。

上述方案中，所述利用所述可逆矩陣對(duì)第一降維數(shù)據(jù)進(jìn)行第二次降維處理，得出降維處理后數(shù)據(jù)，包括：將所述可逆矩陣與所述第一降維數(shù)據(jù)相乘，得出降維處理后數(shù)據(jù)。

上述方案中，所述利用預(yù)設(shè)的降維矩陣對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行第一次降維處理，得出第一降維數(shù)據(jù)，包括：將預(yù)設(shè)的降維矩陣與以矩陣形式表示的接收數(shù)據(jù)相乘，得出第一降維數(shù)據(jù)。

上述方案中，所述構(gòu)造與mimo雷達(dá)天線陣列陣元個(gè)數(shù)有關(guān)的可逆矩陣，包括：

定義矩陣w，w＝diag(1,2，…，m,m-1，…,2，1)，diag(·)表示以括號(hào)中元素為主對(duì)角線元素而構(gòu)成的對(duì)角矩陣；

將矩陣w的-1/2次方w^-1/2作為所述與mimo雷達(dá)天線陣列陣元個(gè)數(shù)有關(guān)的可逆矩陣。

上述方案中，所述基于降維處理后數(shù)據(jù)構(gòu)造所述接收數(shù)據(jù)的稀疏表示模型 包括：

將所述降維處理后數(shù)據(jù)以矩陣形式表示，對(duì)以矩陣形式表示的降維處理后數(shù)據(jù)進(jìn)行奇異值分解，得出分解后數(shù)據(jù)；構(gòu)造冗余字典，基于所述分解后數(shù)據(jù)和所構(gòu)造的冗余字典，構(gòu)造所述接收數(shù)據(jù)的稀疏表示模型。

本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種多輸入多輸出mimo雷達(dá)波達(dá)方向估計(jì)裝置，所述mimo雷達(dá)的天線陣列為用于發(fā)射信號(hào)并接收回波信號(hào)的m元均勻線陣；所述裝置包括：濾波處理模塊、降維處理模塊和估計(jì)模塊；其中，

濾波處理模塊，用于對(duì)所述回波信號(hào)進(jìn)行匹配濾波處理，得出接收數(shù)據(jù)；

降維處理模塊，用于構(gòu)造與mimo雷達(dá)天線陣列陣元個(gè)數(shù)有關(guān)的可逆矩陣，利用所述可逆矩陣對(duì)所述接收數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，得出降維處理后數(shù)據(jù)；

估計(jì)模塊，用于基于降維處理后數(shù)據(jù)構(gòu)造所述接收數(shù)據(jù)的稀疏表示模型，基于所構(gòu)造的稀疏表示模型對(duì)mimo雷達(dá)波達(dá)方向進(jìn)行估計(jì)。

上述方案中，所述降維處理模塊，具體用于利用預(yù)設(shè)的降維矩陣對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行第一次降維處理，得出第一降維數(shù)據(jù)；利用所述可逆矩陣對(duì)第一降維數(shù)據(jù)進(jìn)行第二次降維處理，得出降維處理后數(shù)據(jù)。

上述方案中，所述降維處理模塊，具體用于將所述可逆矩陣與所述第一降維數(shù)據(jù)相乘，得出降維處理后數(shù)據(jù)。

上述方案中，所述降維處理模塊，具體用于定義矩陣w，w＝diag(1,2，…，m,m-1，…,2，1)，diag(·)表示以括號(hào)中元素為主對(duì)角線元素而構(gòu)成的對(duì)角矩陣；

所述降維處理模塊，還用于將矩陣w的-1/2次方w^-1/2作為所述與mimo雷達(dá)天線陣列陣元個(gè)數(shù)有關(guān)的可逆矩陣。

上述方案中，所述估計(jì)模塊，具體用于將所述降維處理后數(shù)據(jù)以矩陣形式表示，對(duì)以矩陣形式表示的降維處理后數(shù)據(jù)進(jìn)行奇異值分解，得出分解后數(shù)據(jù)；構(gòu)造冗余字典，基于所述分解后數(shù)據(jù)和所構(gòu)造的冗余字典，構(gòu)造所述接收數(shù)據(jù)的稀疏表示模型。

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種mimo雷達(dá)波達(dá)方向估計(jì)方法和裝置，利用mimo雷達(dá)天線陣列接收回波信號(hào)，對(duì)所述回波信號(hào)進(jìn)行匹配濾波處理，得出接收數(shù)據(jù)；構(gòu)造與mimo雷達(dá)天線陣列陣元個(gè)數(shù)有關(guān)的可逆矩陣，利用所述可逆矩陣對(duì)所述接收數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，得出降維處理后數(shù)據(jù)；基于降維處理后數(shù)據(jù)構(gòu)造所述接收數(shù)據(jù)的稀疏表示模型，基于所構(gòu)造的稀疏表示模型對(duì)mimo雷達(dá)波達(dá)方向進(jìn)行估計(jì)；如此，可以對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，基于降維處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行波達(dá)方向估計(jì)，降低了進(jìn)行mimo雷達(dá)波達(dá)方向估計(jì)時(shí)的運(yùn)算復(fù)雜度。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明mimo雷達(dá)波達(dá)方向估計(jì)方法的第一實(shí)施例的流程圖；

圖2為本發(fā)明第二實(shí)施例中信號(hào)收發(fā)通道的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明第二實(shí)施例中車輛障礙物檢測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景的示意圖；

圖4為本發(fā)明第二實(shí)施例車輛障礙物檢測(cè)方法的流程圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例mimo雷達(dá)波達(dá)方向估計(jì)裝置的組成結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。

第一實(shí)施例

本發(fā)明第一實(shí)施例提供了一種mimo雷達(dá)波達(dá)方向估計(jì)方法，該mimo雷達(dá)的天線陣列為用于發(fā)射信號(hào)并接收回波信號(hào)的m元均勻線陣，m大于1；也就是說(shuō)，對(duì)于該mimo雷達(dá)而言，m元均勻線陣的各個(gè)陣元不僅用于發(fā)射信號(hào)，還用于接收對(duì)應(yīng)的回波信號(hào)；可以理解的是，m元均勻線陣相鄰陣元之間的間距相等，將m元均勻線陣的陣元間距記為d。

圖1為本發(fā)明mimo雷達(dá)波達(dá)方向估計(jì)方法的第一實(shí)施例的流程圖，如圖1所示，該流程包括：

步驟100：利用mimo雷達(dá)天線陣列接收回波信號(hào)，對(duì)所述回波信號(hào)進(jìn)行匹配濾波處理，得出接收數(shù)據(jù)。

這里，需要首先利用mimo雷達(dá)天線陣列發(fā)射信號(hào)，之后，利用mimo雷達(dá)天線陣列接收對(duì)應(yīng)的回波信號(hào)。

在具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，mimo雷達(dá)天線陣列的每個(gè)陣元均發(fā)射快拍數(shù)為l的信號(hào)，mimo雷達(dá)天線陣列的任意兩個(gè)陣元發(fā)射的信號(hào)相互正交，mimo雷達(dá)天線陣列的每個(gè)陣元發(fā)射的信號(hào)可以表示為l列的行向量，將mimo雷達(dá)天線陣列第m個(gè)陣元發(fā)射的信號(hào)記為sm(t)，m取1至m，則在障礙物處接收到的信號(hào)y表示為：

y＝a^t(θ)s(t)+n0

其中，y是大小為1×l的實(shí)矩陣，l表示發(fā)射信號(hào)的快拍數(shù)，上標(biāo)t表示矩陣或向量的轉(zhuǎn)置；a(θ)為方位角θ對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)方向向量，s(t)＝[s1(t)，s2(t)，…，sm(t)]^t，s(t)是大小為m×l的矩陣，n0是大小為1×l的噪聲矢量；這里，a(θ)的表達(dá)式為：

a(θ)＝[1,e^{j2πdsinθ/λ},…,e^{j2π(m-1)dsinθ/λ}]^t

其中，λ表示mimo雷達(dá)天線陣列的發(fā)射信號(hào)波長(zhǎng)，令τ＝2πdsinθ/λ，τ表示由于相對(duì)障礙物位置不同而造成相鄰發(fā)射陣元間的相位差。

在理想情況下，mimo雷達(dá)天線陣列所接收的回波信號(hào)x為：

x＝a(θ)a^t(θ)s(t)+n1

其中，n1是大小為m×l的噪聲矩陣，可以看出x為大小為m×l的實(shí)矩陣。

考慮空間存在k個(gè)路障的情況，將這k個(gè)路障相對(duì)于mimo天線陣列的方位角表示為θ1至θk，其中第k個(gè)路障相對(duì)于mimo天線陣列的方位角表示為θk，k取1至k；此時(shí)，mimo雷達(dá)天線陣列所接收的回波信號(hào)x為：

其中，上標(biāo)t表示矩陣或向量的轉(zhuǎn)置，xm表示mimo天線陣列第m個(gè)陣元接收到的信號(hào)，m取1至m；βk表示第k個(gè)路障對(duì)應(yīng)的信號(hào)收發(fā)過(guò)程中的衰減系 數(shù)；n3是大小為m×l的噪聲矩陣。

mimo天線陣列每個(gè)陣元后均連接有匹配濾波器組，用于對(duì)相應(yīng)陣元接收的回波信號(hào)進(jìn)行匹配濾波處理，匹配濾波器組中匹配濾波器的個(gè)數(shù)可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置，例如，可以將匹配濾波器組中匹配濾波器的個(gè)數(shù)設(shè)置為m。mimo天線陣列第m個(gè)陣元經(jīng)匹配濾波處理后的輸出信號(hào)xm為：

其中，上標(biāo)*表示共軛轉(zhuǎn)置，n4是大小為1×l的噪聲矢量。

這里，對(duì)每個(gè)陣元接收的回波信號(hào)進(jìn)行匹配濾波處理后，濾除了與匹配濾波器特性函數(shù)相互正交的信號(hào)，其余信號(hào)得到保留。

在實(shí)際應(yīng)用中，將mimo天線陣列各個(gè)陣元經(jīng)匹配濾波處理后的輸出信號(hào)進(jìn)行向量化并依次堆砌可得所述回波信號(hào)進(jìn)行匹配濾波處理后所得出的接收數(shù)據(jù)y：

其中，y表示對(duì)所述回波信號(hào)進(jìn)行匹配濾波處理后所得出的接收數(shù)據(jù)，即y是大小為m²×l的復(fù)矩陣，l表示發(fā)射信號(hào)的快拍數(shù)；ar(θk)表示方位角θk對(duì)應(yīng)的接收方向向量，at(θk)表示方位角θk對(duì)應(yīng)的發(fā)射方向向量，k取1至k；表示矩陣的kronecker積；ar為接收陣列流型矩陣，at為發(fā)射陣列流型矩陣，⊙表示矩陣的khatri-rao積，在本發(fā)明實(shí)施例中，接收陣列和發(fā)射陣列相同，均為mimo雷達(dá)的m元均勻線陣；a＝[ar⊙a(bǔ)t]，a表示等效的陣列流型矩陣，即a是大小為m²×k的復(fù)矩陣；n5表示噪聲矩陣，n5是大小為m²×l的矩陣；h表示衰減系數(shù)矩陣，h是大小為k×l的復(fù)矩陣，h的展開(kāi)式可以表示為：

這里，當(dāng)k取1至k且l取1至l時(shí)，βkl表示矩陣h中第k行第l列的元素。

根據(jù)方向向量的特殊形式和kronecker積的性質(zhì)，令k取1至k，則有：

其中，上標(biāo)t表示矩陣或向量的轉(zhuǎn)置，g是大小為m²×(2m-1)的實(shí)矩陣，g的展開(kāi)式為：

這里，g是僅與mimo雷達(dá)天線陣列陣元個(gè)數(shù)m相關(guān)的矩陣，矩陣g中第am+b行第a+b行的元素為1，其余元素為0，這里，a取0至m-1，b取1至m。

定義矩陣w為g^hg，即則w的展開(kāi)式可表示為：

其中，表示定義，diag(·)表示以括號(hào)中元素為主對(duì)角線元素而構(gòu)成的矩陣。

步驟101：構(gòu)造與mimo雷達(dá)天線陣列陣元個(gè)數(shù)有關(guān)的可逆矩陣，利用所述可逆矩陣對(duì)所述接收數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，得出降維處理后數(shù)據(jù)。

本步驟具體包括：利用預(yù)設(shè)的降維矩陣對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行第一次降維處理，得出第一降維數(shù)據(jù)；利用所述可逆矩陣對(duì)第一降維數(shù)據(jù)進(jìn)行第二次降維處理，得出降維處理后數(shù)據(jù)。

這里，在得出第一降維數(shù)據(jù)時(shí)，將所述接收數(shù)據(jù)以矩陣形式表示，將預(yù)設(shè)的降維矩陣與以矩陣形式表示的接收數(shù)據(jù)相乘，得出第一降維數(shù)據(jù)；顯然，第一降維數(shù)據(jù)同樣以矩陣形式表示。

示例性地，預(yù)設(shè)的降維矩陣為：w^-1/2g^h，第一降維數(shù)據(jù)可以表示為：

z＝w^-1/2g^hy

＝w^-1/2g^h{g[b(θ1),b(θ2),…,b(θk)]h+n5}

＝w^1/2bh+w^-1/2g^hn5

＝w^1/2bh+n^y

式中，z表示第一降維數(shù)據(jù)，z是大小為(2m-1)×l的復(fù)矩陣，w^-1/2表示矩陣w的-1/2次方，上標(biāo)h表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置，y表示對(duì)所述回波信號(hào)進(jìn)行匹配濾波處理后所得出的接收數(shù)據(jù)，b＝[b(θ1),b(θ2),…,b(θk)]，n^y＝w^-1/2g^hn5，n^y為噪聲矩陣。

本步驟中，所述利用所述可逆矩陣對(duì)第一降維數(shù)據(jù)進(jìn)行第二次降維處理，得出降維處理后數(shù)據(jù)，包括：將所述可逆矩陣與所述第一降維數(shù)據(jù)相乘，得出降維處理后數(shù)據(jù)。

這里，構(gòu)造的僅與mimo雷達(dá)天線陣列陣元個(gè)數(shù)有關(guān)的可逆矩陣為w^-1/2，由于顯然，w^1/2為滿秩對(duì)角矩陣，即矩陣w^1/2可逆。

示例性地，降維處理后數(shù)據(jù)可以表示為：

z簡(jiǎn)＝w^-1/2z＝bh+w^-1/2n^y＝bh+n簡(jiǎn)

其中，z簡(jiǎn)表示降維處理后數(shù)據(jù)，z簡(jiǎn)是大小為(2m-1)×l的復(fù)矩陣，n簡(jiǎn)＝w^-1/2n^y，n簡(jiǎn)為噪聲矩陣。

由于矩陣w^-1/2僅與mimo雷達(dá)天線陣列陣元個(gè)數(shù)m有關(guān)，所以得出降維處理后數(shù)據(jù)的過(guò)程不會(huì)影響mimo雷達(dá)天線陣列接收數(shù)據(jù)的方位信息，如此，可以將主動(dòng)信號(hào)接收模型轉(zhuǎn)變?yōu)楸粍?dòng)信號(hào)接收模型。同時(shí)，在不改變mimo雷達(dá)天線陣列接收數(shù)據(jù)方位信息的前提下，接收數(shù)據(jù)矩陣的大小從m²×k降為(2m-1)×k，這樣，基于降維處理后數(shù)據(jù)估計(jì)波達(dá)方向時(shí)，可以有效地降低運(yùn)算 復(fù)雜度。

步驟102：基于降維處理后數(shù)據(jù)構(gòu)造所述接收數(shù)據(jù)的稀疏表示模型，基于所構(gòu)造的稀疏表示模型對(duì)mimo雷達(dá)波達(dá)方向進(jìn)行估計(jì)。

本步驟中，基于降維處理后數(shù)據(jù)構(gòu)造所述接收數(shù)據(jù)的稀疏表示模型包括：將所述降維處理后數(shù)據(jù)以矩陣形式表示，對(duì)以矩陣形式表示的降維處理后數(shù)據(jù)進(jìn)行奇異值(svd)分解，得出分解后數(shù)據(jù)；構(gòu)造冗余字典，基于所述分解后數(shù)據(jù)和所構(gòu)造的冗余字典，構(gòu)造所述接收數(shù)據(jù)的稀疏表示模型。

在實(shí)際應(yīng)用中，考慮k已知，可以對(duì)矩陣z簡(jiǎn)進(jìn)行奇異值分解，則z簡(jiǎn)可以寫(xiě)成如下形式：

z簡(jiǎn)＝ulv^h＝[usvunv]lv^h

式中，矩陣u是大小為(2m-1)×(2m-1)的特征矢量矩陣，矩陣l是大小為(2m-1)×l的對(duì)角矩陣，矩陣v是大小為l×l的正交矩陣；矩陣l中的奇異值是沿著主對(duì)角線從大到小排列的，特征矢量矩陣u的奇異值是按照從大到小的順序排列的，u＝[usvunv]，其中，usv是大小為(2m-1)×k的信號(hào)子矩陣，unv是噪聲子矩陣；對(duì)式z簡(jiǎn)＝ulv^h右乘vdk則有z簡(jiǎn)vdk＝ulv^hvdk＝uldk，這里，dk是大小為l×k的矩陣，dk＝[iko]^h,ik是k×k維單位矩陣，o為零矩陣。

令zsv＝uldk＝z簡(jiǎn)vdk，hsv＝hvdk，nsv＝n簡(jiǎn)vdk，則有

zsv＝bhsv+nsv

這里，矩陣b的每一列與一個(gè)波達(dá)方向相對(duì)應(yīng)。

獲取n個(gè)角度值，n大于k；例如，對(duì)于一個(gè)空間域，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行角度劃分，得出n個(gè)角度值θ1,θ2,…,θn，例如：n取181時(shí)，從0度開(kāi)始，以1度為步長(zhǎng)逐步增加，直到180度。

基于獲取的n個(gè)角度值構(gòu)造冗余字典bs：

bs＝[b(θ1),b(θ2),…,b(θn)]

可以看出，冗余字典bs是大小為(2m-1)×n的矩陣。

在實(shí)際應(yīng)用中，所構(gòu)造的接收數(shù)據(jù)的稀疏表示模型為：

zsv＝bs×hs

則矩陣hs中必有n-k行均為零；

這里，如果hs是n×1維的向量，則將所構(gòu)造的接收數(shù)據(jù)的稀疏表示模型稱為單快拍(singlemeasurementvectors，smv)模型；反之，如果hs不是n×1維的向量，則將所構(gòu)造的接收數(shù)據(jù)的稀疏表示模型稱為多快拍(multiplemeasurementvectors，mmv)模型。

本步驟中，基于所構(gòu)造的稀疏表示模型對(duì)mimo雷達(dá)波達(dá)方向進(jìn)行估計(jì)包括：基于壓縮感知理論的重構(gòu)算法對(duì)所構(gòu)造的稀疏表示模型進(jìn)行求解，得出mimo雷達(dá)波達(dá)方向的估計(jì)值。

在實(shí)際應(yīng)用中，在基于壓縮感知理論的重構(gòu)算法對(duì)所構(gòu)造的稀疏表示模型進(jìn)行求解時(shí)，可以得出mimo雷達(dá)波達(dá)方向估計(jì)的譜函數(shù)p：

p＝||hs||2,1

其中，這里，hs[i，：]表示hs的第i行，||hs[i，：]||2的表示hs[i，：]的最小2范數(shù)。

在得出mimo雷達(dá)波達(dá)方向估計(jì)的譜函數(shù)p之后，根據(jù)譜函數(shù)p譜峰對(duì)應(yīng)角度，即可得出mimo雷達(dá)波達(dá)方向的估計(jì)值。

應(yīng)用本發(fā)明第一實(shí)施例的mimo雷達(dá)波達(dá)方向估計(jì)方法，可以對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行多次降維處理，基于降維處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行波達(dá)方向估計(jì)，如此，降低了進(jìn)行mimo雷達(dá)波達(dá)方向估計(jì)時(shí)的運(yùn)算復(fù)雜度。

第二實(shí)施例

這里，本發(fā)明實(shí)施例可以用于車輛障礙物檢測(cè)、基站對(duì)終端的探測(cè)、雷達(dá)/聲吶探測(cè)等領(lǐng)域；下面以車輛障礙物檢測(cè)領(lǐng)域?yàn)槔M(jìn)行說(shuō)明。

行駛在公路上的車輛需要對(duì)周圍環(huán)境有很好的感知能力，包括對(duì)道路結(jié)構(gòu)的感知、對(duì)其他動(dòng)態(tài)障礙物的檢測(cè)等；可靠的環(huán)境感知能力對(duì)自主巡航控制、碰撞預(yù)警和路徑規(guī)劃起到至關(guān)重要的作用。

現(xiàn)有車輛障礙物檢測(cè)技術(shù)，包括地圖差分法、實(shí)體聚類法和目標(biāo)跟蹤法， 地圖差分法根據(jù)地圖或者柵格地圖上障礙物在不同時(shí)刻的分布特點(diǎn)求解障礙物運(yùn)動(dòng)信息，計(jì)算數(shù)據(jù)量大，實(shí)時(shí)性不高魯棒性較弱，并且往往需要聯(lián)網(wǎng)，對(duì)沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)覆蓋和無(wú)導(dǎo)航信號(hào)覆蓋的偏遠(yuǎn)山區(qū)的安全駕駛造成威脅；實(shí)體聚類法和目標(biāo)跟蹤方法，需要存儲(chǔ)和計(jì)算的信息也很龐大，環(huán)境噪聲嚴(yán)重時(shí)可靠性太差。

此外，還可以通過(guò)車載雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)路障進(jìn)行探測(cè)，然而，車載雷達(dá)系統(tǒng)只能對(duì)雷達(dá)正前方的路障進(jìn)行探測(cè)，并不能檢測(cè)出路障在無(wú)人駕駛車前方的角度。

針對(duì)上述車輛障礙物探測(cè)的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明第二實(shí)施例提供了一種車輛障礙物檢測(cè)方法，在車輛上設(shè)置有mimo雷達(dá)天線陣列，該mimo雷達(dá)天線陣列與本發(fā)明第一實(shí)施例的mimo雷達(dá)天線陣列相同，這里不再重復(fù)；在車輛上還設(shè)置有第1信號(hào)收發(fā)通道至第m信號(hào)收發(fā)通道、收發(fā)信機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理(digitalsignalprocessing，dsp)器。

圖2為本發(fā)明第二實(shí)施例中信號(hào)收發(fā)通道的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，第m信號(hào)收發(fā)通道包括第m選頻開(kāi)關(guān)、第m雙工器、第m功率放大器(poweramplifier，pa)、第m低噪聲放大器(lownoiseamplifier，lna)、第m匹配濾波器組，m取1至m。

參照?qǐng)D2，數(shù)字信號(hào)處理器用于控制收發(fā)信機(jī)發(fā)射m個(gè)兩兩正交的信號(hào)s1,s2…,sm，收發(fā)信機(jī)將信號(hào)sm發(fā)送至第m功率放大器，第m功率放大器用于對(duì)來(lái)自收發(fā)信機(jī)的信號(hào)進(jìn)行放大，并將放大后的信號(hào)發(fā)送至第m雙工器；第m雙工器用于將來(lái)自第m功率放大器的信號(hào)發(fā)送至第m選頻開(kāi)關(guān)，第m選頻開(kāi)關(guān)用于將來(lái)自第m雙工器的信號(hào)發(fā)送至mimo雷達(dá)天線陣列的第m陣元，第m選頻開(kāi)關(guān)用于選取信號(hào)發(fā)射頻率，并按照選取的信號(hào)發(fā)射頻率控制mimo雷達(dá)天線陣列的第m陣元發(fā)射信號(hào)。

參照?qǐng)D2，第m選頻開(kāi)關(guān)連接mimo雷達(dá)天線陣列的第m陣元，第m選頻開(kāi)關(guān)、第m雙工器、第m低噪聲放大器、第m匹配濾波器組構(gòu)成第m接收信號(hào)通道；在第m接收信號(hào)通道中，第m選頻開(kāi)關(guān)用于選取mimo雷達(dá)天線陣列的第m陣元接收信號(hào)的頻率，第m選頻開(kāi)關(guān)通過(guò)第m雙工器連接第m低噪聲放大器，第m低噪聲放大器用于對(duì)來(lái)自雙工器的接收信號(hào)進(jìn)行放大，并將 放大后的信號(hào)發(fā)送至第m匹配濾波器組，第m匹配濾波器組用于對(duì)來(lái)自第m低噪聲放大器的信號(hào)進(jìn)行匹配濾波，濾除與匹配濾波器特性函數(shù)相互正交的信號(hào)，將經(jīng)匹配濾波處理的信號(hào)發(fā)送至收發(fā)信機(jī)，收發(fā)信機(jī)用于將來(lái)自第m匹配濾波器組的信號(hào)發(fā)送至數(shù)字信號(hào)處理器，數(shù)字信號(hào)處理器用于根據(jù)來(lái)自收發(fā)信機(jī)的信號(hào)，對(duì)障礙物進(jìn)行探測(cè)，并規(guī)劃行車路線。

在實(shí)際應(yīng)用中，第m雙工器用于實(shí)現(xiàn)收發(fā)信號(hào)的隔離。

圖3為本發(fā)明第二實(shí)施例中車輛障礙物檢測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景的示意圖，如圖3所示，用數(shù)字1表示車輛1，用數(shù)字2表示車輛2，用數(shù)字3表示車輛3；在車輛2進(jìn)行障礙物檢測(cè)時(shí)，車輛2上設(shè)置的mimo雷達(dá)天線陣列發(fā)射信號(hào)，并根據(jù)接收的回波信號(hào)進(jìn)行障礙物檢測(cè)。

圖4為本發(fā)明第二實(shí)施例車輛障礙物檢測(cè)方法的流程圖，如圖4所示，該流程包括：

步驟400：獲取車輛上的mimo雷達(dá)天線陣列發(fā)射信號(hào)時(shí)的波束寬度及指向，并獲取車輛上的mimo雷達(dá)天線陣列接收信號(hào)時(shí)的波束寬度及指向；

這里，可以根據(jù)車輛自身到路沿的距離和需要探測(cè)的距離，用波束形成算法設(shè)置車輛上的mimo雷達(dá)天線陣列發(fā)射信號(hào)時(shí)的波束寬度及指向、車輛上的mimo雷達(dá)天線陣列接收信號(hào)時(shí)的波束寬度及指向。

示例性地，可以車輛上的距離傳感器或攝像頭獲取車輛自身到路沿的距離。

步驟401：mimo雷達(dá)天線陣列發(fā)射信號(hào)，并接收對(duì)應(yīng)的回波信號(hào)。

可以理解的是，在車輛上設(shè)置的mimo雷達(dá)天線陣列發(fā)射信號(hào)后，所發(fā)射的信號(hào)遇到障礙物時(shí)會(huì)返回至mimo雷達(dá)天線陣列。

本步驟的具體實(shí)現(xiàn)方式已經(jīng)在步驟100中作出說(shuō)明，這里不再贅述。

步驟402：基于所接收的回波信號(hào)，對(duì)mimo雷達(dá)的波達(dá)方向進(jìn)行估計(jì)。

這里，可以利用數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)mimo雷達(dá)的波達(dá)方向進(jìn)行估計(jì)。

本步驟的實(shí)現(xiàn)方式已經(jīng)在本發(fā)明第一實(shí)施例中作出說(shuō)明，這里不再贅述。

步驟403：根據(jù)mimo雷達(dá)的波達(dá)方向的估計(jì)值，計(jì)算得出障礙物所在方向。

進(jìn)一步地，還可以基于障礙物所在方向規(guī)劃行車路線。

在實(shí)際應(yīng)用中，可以利用車輛上設(shè)置的數(shù)字信號(hào)處理器計(jì)算得出障礙物所在方向，并規(guī)劃行車路線。

波達(dá)方向估計(jì)是廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、聲納、天文學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程等諸多領(lǐng)域，是高分辨陣列信號(hào)處理的重要研究?jī)?nèi)容之一，本發(fā)明第二實(shí)施例采用波達(dá)方向估計(jì)方法進(jìn)行車輛障礙物方向檢測(cè)，從而給車輛提供行車路徑規(guī)劃信息，提高車輛了行車安全性能。

此外，由于車載雷達(dá)的天線數(shù)量是有限的，采用本發(fā)明第二實(shí)施例車輛障礙物檢測(cè)方法，能夠利用有限的天線陣元對(duì)車輛周圍障礙物所在方向做出準(zhǔn)確的檢測(cè)，同時(shí)本發(fā)明第二實(shí)施例所應(yīng)用的mimo雷達(dá)波達(dá)方向估計(jì)方法，具有運(yùn)算復(fù)雜度低的特點(diǎn)，有利于滿足高速行駛車輛對(duì)障礙物檢測(cè)的實(shí)時(shí)性需求。

第三實(shí)施例

基于本發(fā)明第一實(shí)施例的mimo雷達(dá)波達(dá)方向估計(jì)方法，本發(fā)明第三實(shí)施例提供了一種mimo雷達(dá)波達(dá)方向估計(jì)裝置。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例mimo雷達(dá)波達(dá)方向估計(jì)裝置的組成結(jié)構(gòu)示意圖，所述mimo雷達(dá)的天線陣列為用于發(fā)射信號(hào)并接收回波信號(hào)的m元均勻線陣，m大于1；所述mimo雷達(dá)天線陣列用于接收回波信號(hào)。

如圖5所示，該裝置包括：濾波處理模塊500、降維處理模塊501和估計(jì)模塊502；其中，

濾波處理模塊500，用于對(duì)所述回波信號(hào)進(jìn)行匹配濾波處理，得出接收數(shù)據(jù)；

降維處理模塊501，用于構(gòu)造與mimo雷達(dá)天線陣列陣元個(gè)數(shù)有關(guān)的可逆矩陣，利用所述可逆矩陣對(duì)所述接收數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，得出降維處理后數(shù)據(jù)；

估計(jì)模塊502，用于基于降維處理后數(shù)據(jù)構(gòu)造所述接收數(shù)據(jù)的稀疏表示模型，基于所構(gòu)造的稀疏表示模型對(duì)mimo雷達(dá)波達(dá)方向進(jìn)行估計(jì)。

具體地，所述降維處理模塊501，用于利用預(yù)設(shè)的降維矩陣對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行第一次降維處理，得出第一降維數(shù)據(jù)；利用所述可逆矩陣對(duì)第一降維數(shù)據(jù)進(jìn) 行第二次降維處理，得出降維處理后數(shù)據(jù)。

所述降維處理模塊501，具體用于將所述可逆矩陣與所述第一降維數(shù)據(jù)相乘，得出降維處理后數(shù)據(jù)。

所述降維處理模塊501，具體用于定義矩陣w，w＝diag(1,2，…，m,m-1，…,2，1)，diag(·)表示以括號(hào)中元素為主對(duì)角線元素而構(gòu)成的對(duì)角矩陣；

所述降維處理模塊501，還用于將矩陣w的-1/2次方w^-1/2作為所述與mimo雷達(dá)天線陣列陣元個(gè)數(shù)有關(guān)的可逆矩陣。

所述估計(jì)模塊502，具體用于將所述降維處理后數(shù)據(jù)以矩陣形式表示，對(duì)以矩陣形式表示的降維處理后數(shù)據(jù)進(jìn)行奇異值分解，得出分解后數(shù)據(jù)；構(gòu)造冗余字典，基于所述分解后數(shù)據(jù)和所構(gòu)造的冗余字典，構(gòu)造所述接收數(shù)據(jù)的稀疏表示模型。

在實(shí)際應(yīng)用中，所述濾波處理模塊500、降維處理模塊501和估計(jì)模塊502均可由中央處理器(centralprocessingunit，cpu)、微處理器(microprocessorunit，mpu)、數(shù)字信號(hào)處理器(digitalsignalprocessor，dsp)、或現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(fieldprogrammablegatearray，fpga)等實(shí)現(xiàn)。

本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)明白，本發(fā)明的實(shí)施例可提供為方法、系統(tǒng)、或計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。因此，本發(fā)明可采用硬件實(shí)施例、軟件實(shí)施例、或結(jié)合軟件和硬件方面的實(shí)施例的形式。而且，本發(fā)明可采用在一個(gè)或多個(gè)其中包含有計(jì)算機(jī)可用程序代碼的計(jì)算機(jī)可用存儲(chǔ)介質(zhì)(包括但不限于磁盤(pán)存儲(chǔ)器和光學(xué)存儲(chǔ)器等)上實(shí)施的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的形式。

本發(fā)明是參照根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法、設(shè)備(系統(tǒng))、和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的流程圖和/或方框圖來(lái)描述的。應(yīng)理解可由計(jì)算機(jī)程序指令實(shí)現(xiàn)流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結(jié)合?？商峁┻@些計(jì)算機(jī)程序指令到通用計(jì)算機(jī)、專用計(jì)算機(jī)、嵌入式處理機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器以產(chǎn)生一個(gè)機(jī)器，使得通過(guò)計(jì)算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器執(zhí)行的指令產(chǎn)生用于實(shí)現(xiàn)在流程圖一個(gè)流程或多個(gè) 流程和/或方框圖一個(gè)方框或多個(gè)方框中指定的功能的裝置。

這些計(jì)算機(jī)程序指令也可存儲(chǔ)在能引導(dǎo)計(jì)算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備以特定方式工作的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器中，使得存儲(chǔ)在該計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器中的指令產(chǎn)生包括指令裝置的制造品，該指令裝置實(shí)現(xiàn)在流程圖一個(gè)流程或多個(gè)流程和/或方框圖一個(gè)方框或多個(gè)方框中指定的功能。

這些計(jì)算機(jī)程序指令也可裝載到計(jì)算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備上，使得在計(jì)算機(jī)或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行一系列操作步驟以產(chǎn)生計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的處理，從而在計(jì)算機(jī)或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行的指令提供用于實(shí)現(xiàn)在流程圖一個(gè)流程或多個(gè)流程和/或方框圖一個(gè)方框或多個(gè)方框中指定的功能的步驟。

以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。