毫米波雷达高分辨率成像MIMO虚拟孔径搭建与压缩感知重构实现路径

发布时间：2026-09-30 11:56:00

来源：RF技术社区 (https://rf.eefocus.com)

分享到：

毫米波雷达的高分辨率成像能力在自动驾驶环境感知和工业检测领域具有明确的应用需求。成像分辨率包括距离分辨率和角度分辨率两个维度，距离分辨率由信号带宽决定，角度分辨率由天线阵列的孔径尺寸决定。在车载和工业设备有限的空间内，物理阵列的孔径难以无限扩展，角度分辨率的提升受到制约。多输入多输出虚拟孔径技术通过多个发射天线和多个接收天线的组合，在不增加物理阵元数量的前提下合成更大的等效孔径。压缩感知重构算法则利用目标场景在空间域上的稀疏性，以较少的观测数据重建高分辨率的角度谱，进一步突破传统波束成形方法的分辨率极限。虚拟孔径搭建与压缩感知重构的结合，为毫米波雷达在有限硬件资源下实现高分辨率成像提供了可行的技术路径。

虚拟孔径的搭建依赖于发射波形正交性和接收信号分离。多个发射天线在同一时间或不同时间发射相互正交的波形，接收端的每个天线同时接收来自所有发射天线的回波信号。通过波形正交性，接收端可以将混合信号分离为各发射通道对应的接收分量，形成发射通道与接收通道的笛卡尔积对应的虚拟阵元集合。虚拟阵元的等效位置由发射阵元位置与接收阵元位置之和决定，通过合理设计发射和接收阵列的排布方式，可以使虚拟阵元在空间上形成连续的孔径填充。在毫米波频段，阵列的物理尺寸较小，多个发射和接收天线可以在单个芯片或封装内集成，虚拟孔径的规模可以远超物理孔径。虚拟孔径的搭建还受到发射波形正交性的限制，时分正交方式需要多个发射通道分时工作，降低了数据采集速率，码分正交方式要求波形之间具有良好的互相关特性，在毫米波频段的宽带信号中实现难度较大。

虚拟孔径的阵列排布设计对成像质量具有直接影响。虚拟阵元的空间分布决定了等效孔径的形状和连续性，规则均匀排布使虚拟阵列的方向图具有较低的旁瓣电平，但均匀排布对发射和接收阵列的间距比例有严格要求。非均匀排布可以在一定程度上打破周期性，抑制栅瓣的产生，但非均匀排布的虚拟阵列方向图旁瓣电平可能升高，且阵列校准的复杂度增加。在车载毫米波雷达中，发射和接收阵列通常采用稀疏排布以在有限空间内容纳更多阵元，虚拟孔径的填充率低于百分之百，等效孔径上存在空隙。空隙导致方向图中出现栅瓣，栅瓣的位置与空隙的分布相关。通过优化发射和接收阵列的排布方式，可以使虚拟阵元的空隙在空间上分散，降低栅瓣的峰值电平。

压缩感知重构在毫米波雷达成像中的应用基于目标场景在角度域上的稀疏性假设。在自动驾驶和工业检测场景中，感兴趣的目标在角度域上通常集中于少数几个方向，角度谱的大部分区域为噪声或杂波。压缩感知理论表明，对于稀疏信号，可以通过远少于传统采样定理要求的观测数据精确重建原始信号。在毫米波雷达中，观测数据对应于虚拟阵元的接收信号，传统波束成形需要所有虚拟阵元的完整数据才能形成高分辨率的角度谱，压缩感知则允许部分虚拟阵元的数据缺失或降采样，通过稀疏重构算法恢复完整的角度谱。重构算法包括凸优化方法和贪心迭代方法，凸优化方法将稀疏重构转化为线性规划问题，重构精度高但计算量大。贪心迭代方法通过逐步选择与残差最相关的原子构建稀疏表示，计算速度较快但重构精度受迭代次数影响。

压缩感知重构的性能取决于虚拟孔径观测矩阵的设计和稀疏基的选择。观测矩阵的条件数影响重构算法的收敛性和稳定性，条件数越小则重构越稳定。在虚拟孔径中，观测矩阵由虚拟阵元的空间位置决定，通过优化阵列排布可以改善观测矩阵的条件数。稀疏基的选择需与目标场景的角度分布特征匹配，在目标角度未知的情况下，通常采用过完备的角度字典作为稀疏基，字典的角度分辨率决定了重构结果的角度精度。字典的角度间隔越小，重构的角度精度越高，但字典的列数增加导致计算量上升。在毫米波雷达的嵌入式处理平台上，字典规模和重构算法的计算复杂度需在成像精度和实时处理能力之间取得平衡。

虚拟孔径与压缩感知重构的工程实现需要解决校准和实时处理两个关键问题。虚拟阵元的相位响应受各发射和接收通道的幅相不一致性、天线互耦和封装寄生效应的影响，虚拟阵列的等效相位中心偏离理想位置，导致角度估计偏差。校准方法包括暗室测量校准和基于参考目标的现场校准，暗室测量在微波暗室中测量各通道的幅相响应并生成补偿系数，现场校准则利用已知位置的参考目标对通道幅相进行在线校正。实时处理方面，压缩感知重构算法在每个雷达帧的处理周期内完成运算，算法复杂度需与嵌入式处理器的算力匹配。在图形处理器或现场可编程门阵列上实现重构算法的并行化，可以缩短单帧处理时间。当前，毫米波雷达的高分辨率成像技术已在自动驾驶雷达和工业检测雷达中完成原型验证，虚拟孔径搭建和压缩感知重构的结合使角度分辨率相比传统波束成形方法有显著提升，相关算法和硬件实现方案为后续的产品化提供了技术基础。

更多资讯内容，详见文章