[论文解读] Millimeter-Wave Angle Estimation of Multiple Targets Using Space-Time Modulation and Interferometric Antenna Arrays
本文提出了一种新颖的主动波束赋形角度估计算法，采用单个线性调频（LFM）发射器和N元干涉接收阵列，可估计最多O(N²)个目标的到达方向（DoA）。通过利用时空调制辐射图样，并将多个干涉基线的响应相乘，该方法消除了传统干涉测量中固有的模糊性，实现了高精度、实时的角度估计，无需波束扫描或复杂信号处理。
A new method of angle estimation of multiple targets using a distributed interferometric antenna array and wideband space-time modulation is presented in this work. Interferometric array measurements of angle of arrival are generally ambiguous in the presence of one or more targets. We propose a new method of mitigating ambiguities in interferometric measurements by multiplying the angle pseudo-spectra from multiple antenna baselines, resulting in detections at only the angles of the targets. Using a single linear frequency modulated (LFM) transmitter and a receive interferometric array with $N$ elements we show a simple and computationally efficient technique to estimate the angle of up to $\mathcal{O}(N^2)$ targets. We describe the theory behind the technique, present detailed simulations, and an experimental verification using a three-element millimeter-wave measurement system.
研究动机与目标
- 解决在估计多个目标时，干涉雷达系统中角度模糊性的问题。
- 实现实时、高分辨率的角度估计，无需机械或电子波束扫描。
- 开发一种计算效率高的方法，利用时空调制与多基线相关性解决模糊性问题。
- 验证使用单个发射器和N元干涉阵列，可估计超过O(N²)个目标的可行性。
提出的方法
- 利用单个LFM发射器生成宽带信号，使阵列上产生确定性的时空调制辐射图样。
- 采用N元干涉接收阵列捕获信号，形成长度为D、2D、...、(N-1)D的多个基线。
- 计算接收元件之间的互相关，生成基线特定的角度伪谱。
- 通过多个基线响应的乘法组合，抑制虚假报警和模糊响应。
- 利用快速傅里叶变换（FFTs）和向量乘法实现高效、实时处理。
- 利用仅真实目标角度出现在多个基线响应乘积中的特性，滤除虚假峰值。
实验结果
研究问题
- RQ1能否通过多基线相关性，使干涉角度估计算法在多个目标情况下实现无模糊性？
- RQ2单个发射器和无源干涉阵列能否像传统阵列处理中那样，估计超过N−1个目标的DoA？
- RQ3LFM波形带来的时空调制如何提升角度分辨率并抑制模糊性？
- RQ4在实际毫米波系统中，可实现的角分辨率和估计精度是多少？
- RQ5所提方法能否在计算复杂度较低的前提下实现实时性能？
主要发现
- 通过将多个基线响应相乘，该方法成功消除了角度模糊性，仅在组合输出中保留真实目标角度。
- 在36–39.5 GHz频段使用三元阵列的实验结果证实，成功检测到8°和15°的两个目标，无虚假报警。
- 多个基线响应的乘法组合显著缩小了角度响应主瓣宽度，相比单个基线有明显改善。
- 系统仅通过一维向量乘法和FFT实现实时处理，且未应用去噪处理。
- 仿真与实验结果高度一致，验证了O(N²)目标估计的理论模型。
- 该技术对虚假响应具有强鲁棒性，杂项交叉乘积项在乘法域中被有效滤除。
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