汽车雷达在多径存在下的幽灵目标检测——论文阅读

汽车雷达在多径存在下的幽灵目标检测

D. Sharif, S. Murtala and G. S. Choi, 'A Survey of Automotive Radar Misalignment Detection Techniques,' in IEEE Access, vol. 13, pp. 123314-123324, 2025, doi: 10.1109/ACCESS.2025.3584454.

摘要

共置多输入多输出（MIMO）技术已被广泛应用于汽车雷达系统，因为它能够以相对较少的发射和接收天线数量提供精确的角度估计。由于视距目标的发射方向（DOD）和到达方向（DOA）重合，MIMO信号处理允许形成更大的虚拟阵列用于角度查找。然而，多径反射是一个主要的限制因素，雷达信号可能从障碍物反弹，创建DOD不等于DOA的回波。因此，在具有多个散射体的复杂场景中，目标的直接路径可能被其他物体的间接路径破坏，导致不准确的角度估计或产生幽灵目标。

本文将多径反射引起的幽灵存在检测作为一个复合假设决策问题：H0H_0H0假设观测仅包含共享相同（未知）DOD和DOA的未知数量直接路径；H1H_1H1假设观测还包含DOD和DOA不重合的未知数量间接路径。我们采用广义似然比检验（GLRT）哲学来确定检测器结构，提供理论检测性能的闭式表达式，以及改善检测性能的凸波形优化方法。在实际场景中，GLRT哲学的未知参数被精心设计的估计器替代。直接路径和多径的角度通过稀疏增强的压缩感知（CS）方法与Levenberg-Marquardt（LM）优化进行估计，以在连续域中估计角度参数。

1. 引言

近年来，对更安全驾驶的需求导致了汽车雷达的显著需求增长。共置MIMO技术已被证明能够有效地以相对较少的天线数量提供精确的物体角度估计，使其在汽车行业中广受欢迎。

共置MIMO系统的一个主要挑战是多径反射，其中目标回波通过多条路径到达接收器，包括直接和间接路径。直接路径涉及信号从雷达传输到目标，然后直接反射回雷达，而间接路径可能在反射器之间多次反弹。通常，由于不同的传播延迟，距离门控可以消除我们试图检测的目标的间接路径。然而，某些间接路径的信号DOD不等于DOA，因此共置MIMO的假设不成立。结果是，在多目标场景中，意图目标的直接路径可能被其他物体的间接路径破坏，应用经典角度查找算法可能导致角度估计精度下降和检测到幽灵目标。

为了检测幽灵目标，一些研究者利用延迟-多普勒域中检测的几何关系。具体来说，R. Feng等人采用霍夫变换来探索多径检测的线性关系。F. Ross等人通过分析移动目标的多普勒分布来检测幽灵目标。这些方法在幽灵目标速度显著时可能有效，有效利用多普勒信息可以帮助从多径中提取几何信息进行识别。值得注意的是，文献[15]的作者提出了一种通过波形设计抑制幽灵的新方法，该方法有效地以高精度控制不同延迟-多普勒单元的响应。

2. 信号模型和问题形式化

最先进的汽车雷达通常采用调频连续波（FMCW）序列来实现高分辨率的目标距离和径向速度估计，并采用共置MIMO技术来合成大的虚拟阵列以进行精确的角度估计。我们考虑一个共置MIMO雷达系统，具有MTM_TMT个发射天线发射同样多的编码序列和MRM_RMR个接收天线。在接收端，每个天线的信号经过通常的处理以提取每个发射天线的贡献，并合成具有MTMRM_T M_RMTMR个元素的MIMO通道。然后通过沿快时间和慢时间的快速傅里叶变换（FFT）处理该信号，以获得回波的延迟-多普勒轮廓。最后，可以构建检测目标的虚拟阵列响应以估计目标的方向。

2.1 多径场景可视化

文章配图

图1描述：图1展示了多径场景的可视化。图1(a)显示了直接路径，其中雷达信号直接传输到位于位置A的目标并直接反射回来，发射和到达角度相等。图1(b)显示了一对一阶路径，其中信号在到达目标之前或从目标返回时在位于点B的反射器处反弹一次，导致DOD和DOA不相等。

多径场景可以可视化为雷达发射信号从目标和反射器反弹。如图1所示，目标位于位置A，反射器位于点B，雷达接收的信号可以采取不同的路径：

直接路径：雷达和目标之间的最短路径，直接路径的发射和到达角度等于目标角度，如图1(a)所示。
一阶路径：间接路径涉及在发射或到达途中在反射器处的单次反弹，导致比直接路径更长的延迟。如图1(b)所示，一阶路径的DOD不等于相应的DOA。
高阶路径：间接路径在回波到达接收器之前涉及更多反弹。然而，由于目标和反射器处散射引起的衰减，高阶路径通常很弱，可以忽略。

2.2 信号模型

考虑一个FMCW MIMO雷达，从每个发射天线传输LLL个脉冲，并采用慢时编码作为复用方法。令x(l)=[x1(l),x2(l),⋯ ,xMT(l)]T\mathbf{x}(l) = [x_1(l), x_2(l), \cdots, x_{M_T}(l)]^Tx(l)=[x1(l),x2(l),⋯,xMT(l)]T为第lll个时期MTM_TMT个发射天线传输的码矢量，传输码矩阵可以表示为X=[x(1),x(2),⋯ ,x(L)]∈CMT×L\mathbf{X} = [\mathbf{x}(1), \mathbf{x}(2), \cdots, \mathbf{x}(L)] \in \mathbb{C}^{M_T \times L}X=[x(1),x(2),⋯,x(L)]∈CMT×L。