4D雷达之MIMO通道分离

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继续聊聊4D雷达，我们天天挂嘴上的4D雷达，其实不过是她的昵称，她的全名可能比较长：4D FMCW MIMO High Resolution Radar, 或者4D FMCW MIMO Imaging Radar, 简称4D雷达，为什么要特意提名字呢，因为名字中的“MIMO”是我们今天的主角，来，有请MIMO。

MIMO（多输入多输出）技术最早在通信领域大放异彩，比如我们很多手机，路由器用的很多2x2 MIMO技术，目的呢当然是提高通信容量。21世纪初，MIMO 技术才被MIT 林肯实验室（MIT Lincoln Lab，牛逼坏了的实验室）的几位大牛引入到雷达领域，当然，这里的雷达是用于军事国防领域的。事实上，绝大多数技术走的都是这么一条路线，先军后民。MIMO雷达其实分类比较多，我们主要还是聚焦于车载或民用领域的单基地MIMO雷达（co-located MIMO），并且今天主要聊聊这类MIMO雷达的通道分离技术。

我在（4D 雷达天线布局思考-俯仰角篇）中聊过，提高天线孔径与雷达尺寸是矛盾的，那么MIMO技术就是救星之一，它可以提高天线孔径的同时保障雷达尺寸限定在一定范围内。同时，MIMO技术又可以平滑目标RCS，降低RCS闪烁效应，并且还可以获得非相参积累增益，可谓好处多多。获得收益是要付出一定代价的，那引入MIMO的核心问题就是实现接收端通道分离，也就是接收端的每个接收天线（通道）需要分离若干发射天线的混合信号，从而实现虚拟孔径合成。

探讨关于MIMO radar接收端通道分离问题（仅仅以FMCW雷达为例）主要集中在两方面：

1 通道分离目的

关于通道分离目的上面也提过，就是构建虚拟阵列作DoA，这也是民用及车载雷达引入MIMO概念的重要原因之一。

2 通道分离层级及手段

关于分离层级

可以分为发射端及接收端，接收端又可以分为距离域，多普勒域以及角度域

关于分离手段

1 在发射端层面，最常见的也是目前用的最多的就是时分（TDM）如图1所示,这种方式通过各通道交替发射波形实现各通道在时间上的分离。该技术简单粗暴，最大的优势在于通道之间是没有干扰的，而且部署简单。但是，问题也很多，比如，没有了MIMO发射增益；接收端需要的存储资源与发射天线成正比（这点很要命）；需要补偿chirp之间运动目标位置变化引起的相位变化；不模糊速度范围降低等。

图1 TDM示意图

2 在接收端层面，接收端这边可以玩的花样比较多，不过都需要发射端打配合（包括发射信号合适的频偏与编码）。主要注意的是，这一层面都是同发的（Transmit simultaneously）。

1)      距离域，在距离域玩的花样基本有两种，编码或者频偏，先说编码，该编码也可称之为快时间编码（FT-CDM），也就是在chirp内编入具有高度自相关性和低互相关性编码，在接收端通过匹配滤波器做滤波处理分离通道，不过目前的嵌入式平台（比如TI，NXP的常见平台）不支持这样的编码操作，所以实际中基本不用；而对于频偏，这里的频偏就是也分为两种，一种是称之为多带（也就是FDM），也就是每个通道的数据寄载于某个频点，频点之间的间隔就是信号带宽，接收端通过相应的匹配滤波器分离，这种方式不适合dechirp机制；而另一种就是dechirp后的拍频域（beat-frequency）构建频偏,如图2所示,这种方式完美对接dechirp机制，唯一的缺点就是探测距离与发射天线呈反比，并且需要发射端不同通道构建不同频偏。

图2 距离域通道分离（BFD）

2)      多普勒域花样也多，多普勒域也成为慢时间域（slow-time）,首先是慢时间维相位编码，这种相位编码有两种，ST-CDM和ST-DDM，ST-CDM也是通过在chirp间编入具有高度自相关性和低互相关性编码，实现通道分离，缺点是降低了目标检测的动态范围，因为这种方式Doppler维度的旁瓣比较高；ST-DDM是在Doppler维引入频偏，使得通道分离，这种方式也会降低不模糊多普勒速度，并且还会引入通道模糊概念，需要引入新的处理逻辑与高级算法，CDM与DDM效果如图3所示，其中可以看到CDM所在Doppler维度的干扰比较大。TDM，CDM,FDM的示意图如图4所示。

3)      而角度域做通道分离主要对潜在目标点（cluster）做Alamouti解码，这种方式不需要复杂编码，phase shifter只需要0,pi即可，不会引入通道间干扰，并且不需要占用过多内存，问题是不模糊速度通道会降低并且需要速度相位补偿，这一点与TDM是类似的。

图3 DDM(左)，ST-CDM(右)仿真结果

图4 TDM,FDM,CDM示意

可以看到，MIMO雷达做通道分离的技术选择有很多，有时候做事情不怕没有，就怕选择太多，那接下来就聊聊怎么做选择，本质上还是一句话，结合雷达定位与应用场景。举个例子，我的4D雷达要做通道分离怎么选，首先，4D雷达点云丰富，形成致密点云的原因除了高分辨率之外，还有就是雷达对目标能量的高动态范围支持，如前所述，CDM会在Doppler维度产生干扰，极其容易淹没小目标，这一点显然不符合高动态范围这一条件，所以不能选CDM，其次像角度域分离，DDM, TDM等方式会降低不模糊速度范围，如果没有后期算法做解模糊，显然也不合适。当然，另外一条思路就是做方法融合，比如如图5，我可以用TDM+BFD的方式做MIMO通道分离，这些是好方法。

图5 TDM+BFD

    最后推荐大家精读下参考文献[1]，可能大家读过，那不妨再多读几遍，相信会有更多思考和感悟。

[参考文献]

[1] Sun H , Frédéric Brigui,  Lesturgie M . Analysis and Comparison of MIMO Radar Waveforms[C]// Radar Conference. IEEE, 2015.

【本文图片来自公开技术资料】

作者简介

姚伟伟，2018年毕业于桂林电子科技大学获得硕士学位。目前任雷达算法总监，长期从事毫米波雷达，新体制车载雷达，无人驾驶环境感知技术研究及工程实现，在该领域有较丰富经验及技术积累。

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编辑：于青 岳冰莹

审核：贾守新

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