CN115097432A - 基于数字可编程超表面的近距离目标探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字可编程超表面的近距离目标探测方法。探测信息包括目标水平位移、径向距离和径向速度。其中，目标水平位移估计依靠超表面生成的和差波束完成，通过差波束与和波束的比值得出差和比进行估计，进一步地，可通过不同指向的和差波束实现波束跟踪；对于径向距离和速度估计，应用基于和波束上的二相编码的距离多普勒算法实现，其中二相编码信号由超表面进行两种相同辐射模式拨通辐射相位的口面编码切换生成。

Description

基于数字可编程超表面的近距离目标探测方法

技术领域

本发明属于无线通讯技术领域，尤其涉及一种基于数字可编程超表面的近距 离目标探测方法。

背景技术

电磁感知被视作6G无线通信的重点，它包括目标定位、成像、跟踪和分类， 所述目标定位是指目标距离、速度和角度探测，这些研究目前主要基于传统相控 阵天线，由于相控阵系统需要给每一个天线安装收发器，其系统架构复杂度高， 成本高。数字可编程超表面在电磁波调控方面具有卓越的性能，与传统相控阵相 比，超表面只需要一个收发器，可以大大降低成本和硬件复杂度；另外，超表面 可以通过动态调控口面的单元状态来调控电磁波，降低了在时域、频域和空域上 进行信号处理的复杂度，对超表面在电磁感知的应用带来极大的便利。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于数字可编程超表面的近距离目标探测方法。 探测信息包括目标水平位移、径向距离和径向速度。其中，目标水平位移估计依 靠超表面生成的和差波束完成，通过差波束与和波束的比值得出差和比进行估计， 进一步地，可通过不同指向的和差波束实现波束跟踪；对于径向距离和速度估计， 应用基于和波束上的二相编码的距离多普勒算法实现，其中二相编码信号由超表 面进行两种相同辐射模式拨通辐射相位的口面编码切换生成。

本发明的基于数字可编程超表面的近距离目标探测方法，包括如下步骤：

步骤1，超表面发射波束对动目标进行照射，通过设计口面编码，使超表面 生成和差波束对动目标的水平位移进行探测；

对于和波束，辐射模式用定向波描述，定向波为

其中， θ和

分别代表定向波束的俯仰角和方位角。

对于差波束，辐射模式由两个定向波束的差值构成：

步骤2，计算差和比R(d)，如下：

其中，F_Δ(d)和F_∑(d)分别表示差波束与和波束在目标移动迹线处的场强。

步骤3，对于近距离的在与超表面平行的水平线上的动目标，通过差和比获 得鉴距离线，即获得了差和比R(d)和水平位移d的关系，从而获得水平位移。

本发明的基于数字可编程超表面的近距离目标探测方法，还包括如下步骤：

步骤1，假设超表面发射带二进制辐射相位的定向波束，发射信号s_t(t)和接 收信号s_r(t)由下列式子表示：

其中，a(t)和

分别是发射信号的幅度和相位。对于二相编码信号，

是0 或π，f_c表示信号的载波频率，t_r表示信号从发射到被接收经过的延时；

步骤2，脉冲压缩技术通过匹配滤波获得瞬时信噪比的信号s_cr(t)，目标的 径向距离通过脉冲压缩技术进行估计，下式给出脉冲压缩过程：

其中，

和

分别为s_t(t)和s_r(t)的傅里叶变换形式，信号s_cr(t)在t＝t_r时刻取得峰值；

步骤3，对于动目标，回波信号包括径向速度的信息。假设目标以速度v_r靠 近超表面，目标与超表面的初始径向距离为R₀，则回波信号s_r(t)可以表示为：

其中，

从式(6)可知s_r(t)包含延时信息t_r和多普勒频率f_d，延时信 息t_r和多普勒频率f_d分别与目标的径向距离和径向速度相关。

信号s_rd(t,f)在t＝t_r,f＝f_d时取得峰值，利用

以及d＝c*t_r能够实现 对动目标的径向距离和速度的估计。

进一步的，f_d的值可通过多普勒滤波收集多个周期的回波信号并进行傅里叶 变换压缩回波信号进行估计，如下式所述：

s_rd(t,f)＝FFT[s_cr(t+nT_r)],n＝0,1,…,N (7)

其中，t∈(0,T_r)，

T_r是信号周期，N是信号累积周期数。

有益效果：超表面通过动态调控口面的单元状态来调控电磁波，实现了目标定位，降低了在时域、频域和空域上进行信号处理的复杂度，对超表面在电磁感知 的应用带来极大的便利。

附图说明

图1是本发明方法所基于数字可编程超表面的目标探测模型图；

图2是超表面的单元结构特性图；

图3是三组和差波束的全波仿真结果图；

图4是超表面和差波束和鉴距离线的全波仿真结果图；

图5是基于超表面对单目标场景和多目标场景估计的仿真结果；

图6是目标水平位移估计和跟踪实验结果图；

图7是对目标径向距离和速度进行估计的仿真图。

具体实施方式

本发明的基于数字可编程超表面的近距离目标探测方法，基于如图1所示 的目标探测模型，透射式超表面包含10×10个单元，由辐射28GHz单频波的喇 叭天线作为馈源垂直照射。图2展示了所提出的超表面的单元结构特性。图2(a) 展示了单元的结构组成。图2(b)是单元在二进制状态下的透射幅度图；图2

(c)是单元在二进制状态下的透射相位图。

超表面发射波束对动目标进行照射，通过设计口面编码，使超表面生成和 差波束对动目标的水平位移进行探测。另外，超表面通过二相调控在和波束上 生成二相编码信号，因此目标的径向距离和速度可以通过距离多普勒算法获得。

和差波束通常被应用于单脉冲雷达系统进行目标跟踪，因为和差波束的回 波携带着目标空间角度信息。与传统的单脉冲雷达天线相比，超表面可以通过 对口面编码进行重构实现和差波束，而不需要和差网络。对于和波束，辐射模 式可以用定向波描述，定向波为

其中，θ和

分别代表定 向波束的俯仰角和方位角。对于差波束，辐射模式可以由两个定向波束的差值 构成：

当两个定向波束彼此非常接近时，相减会导致辐射方向图在指向处生成凹陷。 经过定义足够的和差波束编码可以实现和差波束转向。对应的和差波束的口面编 码可以通过几何光学原理生成。

图3给出了三组和差波束的全波仿真结果。图3中的(a)-(c)依次给出了和 波束指向-8.53°，0°和8.53°的口面编码图，图3中的(d)-(f)依次给出了 差波束指向-8.53°，0°和8.53°的口面编码图，图3中的(g)-(i)依次给出 了和波束和差波束指向-8.53°，0°和8.53°的口面编码对应的辐射模式图。 仿真结果验证了基于超表面生成和差波束的可行性。

对于近距离的在与超表面平行的水平线上的动目标，其水平位移的求法类似 于利用差波束与和波束的比值得出单脉冲鉴角曲线的方法，可以通过差和比获得 鉴距离线，即差和比R(d)如下：

其中，F_Δ(d)和F_∑(d)分别表示差波束和和波束在目标移动迹线处的场强。应 用图3的和差波束编码，图4给出了超表面和差波束和鉴距离线的全波仿真结果， 图4中的(a)-(c)给出了距离超表面12mm处的平行线上，和差波束指向-8.53°, 0°和8.53°的仿真场强的结果，图4中的(d)-(f)展示了鉴距离线，即差和比R和 水平位移d的关系。这些线的单调性可以用来对动目标的水平位移进行估计。

二相编码信号由于具有高时宽带宽积、脉冲压缩和抗干扰特性，在雷达探测 领域被广泛使用。通过切换适当的口面编码，超表面可以在一个固定的模式上进 行相位调制，因此二相编码信号可以直接由超表面生成。假设超表面发射带二进 制辐射相位的定向波束，发射信号s_t(t)和接收信号s_r(t)由下列式子表示：

其中，a(t)和

分别是发射信号的幅度和相位。对于二相编码信号，

是 0或π，f_c表示信号的载波频率，t_r表示信号从发射到被接收经过的延时。

脉冲压缩技术通过匹配滤波获得峰瞬时信噪比的信号，目标的径向距离可以 通过脉冲压缩技术进行估计，下式给出脉冲压缩过程：

其中，

和

分别为s_t(t)和s_r(t)的傅里叶变换形式。信号s_cr(t)在 t＝t_r时刻取得峰值，此峰值便可用于对目标径向距离进行估计。

对于动目标，回波信号包括径向速度的信息。假设目标以速度v_r靠近超表面， 目标与超表面的初始径向距离为R₀，则回波信号s_r(t)可以表示为：

其中，

可以看出s_r(t)包含延时信息t_r和多普勒频率f_d，它们分 别与目标的径向距离和径向速度相关。f_d的值可通过多普勒滤波收集多个周期的 回波信号并进行傅里叶变换压缩回波信号进行估计，如下式所述：

s_rd(t,f)＝FFT[s_cr(t+nT_r)],n＝0,1,…,N (7)

其中，t∈(0,T_r)，

T_r是信号周期，N是信号累积周期数。 信号s_rd(t,f)在(t＝t_r,f＝f_d)取得峰值，利用

以及d＝c*t_r能够实现 对动目标的径向距离和速度的估计。

举例验证理论，分别针对单目标和多目标的场景进行了仿真。仿真中255bit 的m序列作为二相编码信号，信号的符号速率为200MHz，对应超表面口面编码 的切换速率。在单目标场景中，目标被设定与超表面间距2.1m，并以1m/s的速 度靠近超表面，即(2.1m,1m/s)；在多目标场景中，设定三个目标在同一指向上， 参数分别为(2m,-1m/s)、(4m,1m/s)和(4m,-1m/s)。图5中的(a)展示了单目 标场景下的估计结果，峰值位于(2.1m,1.0463m/s)，与设定的参数非常接近。 图5中的(b)给出了三个目标场景下的估计结果，峰值位于(2.025m,-1.0463m/s)， (4.05m,1.0463m/s)和(4.05m,-1.0463m/s)，也与设定参数相近。仿真结果验 证了1超表面进行径向距离和速度估计的有效性。

为了估计水平位移，测试了距离超表面1m的平行线上的近场。图6中的 (a)-(c)依次展示了和差波束指向-8.53°,0°和8.53°的近场测量结果，明显 看出和差波束导致了不同的近场分布，这个分布可以用来对目标水平位移进行估 计。由于超表面和馈电喇叭之间存在多次反射，测量的近场值会出现一些抖动。 图6中的(d)-(f)是基于式(2)得出的和差波束结果。实线通过最小二乘算法拟合 而成。这些线的单调性证实了目标水平位移估计的有效性。

为了对目标径向距离和速度进行估计，超表面配置了两组口面编码，这两组 编码生成指向0°的和波束但是相位信息相反。图7给出了测量的近场信息，图 7中的(a)展示了距离超表面1m的水平线上的近场幅度和相位的测量结果，可以 看出二者幅度相近但相位相反，为生成二相编码信号奠定了基础。根据m序列切 换超表面的口面编码，在超表面前方的目标会被二相编码信号照射，图7中的(b) 是距离多普勒图像的结果，估计的参数为(1.05m，1.0463m/s)，非常接近设定的 参数(1m，1m/s)。

本发明成功建立了基于数字可编程超表面的近距离目标探测，包括目标水平 位移、径向距离和径向速度。依靠超表面和差波束的比值和不同指向实现了目标 水平位移估计和跟踪，依靠二相编码信号和距离多普勒算法实现目标径向距离和 径向速度估计。仿真和实验结果都证明了实验的有效性。本发明展示了数字可编 程超表面在近场探测的应用潜力，并希望进一步开拓可编程超表面在智能电磁感 知领域的应用。

Claims (3)

1.基于数字可编程超表面的近距离目标探测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，超表面发射波束对动目标进行照射，通过设计口面编码，使超表面生成和差波束对动目标的水平位移进行探测；

对于和波束，辐射模式用定向波描述，定向波为

其中，θ和

分别代表定向波束的俯仰角和方位角；

对于差波束，辐射模式由两个定向波束的差值构成：

步骤2，计算差和比R(d)，如下：

其中，F_Δ(d)和F_∑(d)分别表示差波束与和波束在目标移动迹线处的场强；

步骤3，对于近距离的在与超表面平行的水平线上的动目标，通过差和比获得鉴距离线，即获得了差和比R(d)和水平位移d的关系，从而获得水平位移。

2.基于数字可编程超表面的近距离目标探测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，假设超表面发射带二进制辐射相位的定向波束，发射信号s_t(t)和接收信号s_r(t)由下列式子表示：

其中，a(t)和

分别是发射信号的幅度和相位；对于二相编码信号，

是0或π，f_c表示信号的载波频率，t_r表示信号从发射到被接收经过的延时；

步骤2，脉冲压缩技术通过匹配滤波获得瞬时信噪比的信号s_cr(t)，目标的径向距离通过脉冲压缩技术进行估计，下式给出脉冲压缩过程：

其中，

和

分别为s_t(t)和s_r(t)的傅里叶变换形式，信号s_cr(t)在t＝t_r时刻取得峰值；

步骤3，对于动目标，回波信号包括径向速度的信息；假设目标以速度v_r靠近超表面，目标与超表面的初始径向距离为R₀，则回波信号s_r(t)可以表示为：

其中，

从式(6)可知s_r(t)包含延时信息t_r和多普勒频率f_d，延时信息t_r和多普勒频率f_d分别与目标的径向距离和径向速度相关；

信号s_rd(t，f)在t＝t_r，f＝f_d时取得峰值，利用

以及d＝c*t_r能够实现对动目标的径向距离和速度的估计。

3.根据权利要求2所述基于数字可编程超表面的近距离目标探测方法，其特征在于，

f_d的值可通过多普勒滤波收集多个周期的回波信号并进行傅里叶变换压缩回波信号进行估计，如下式所述：

s_rd(t，f)＝FFT[s_cr(t+nT_r)]，n＝0，1，...，N (7)

其中，t∈(0，T_r)，

T_r是信号周期，N是信号累积周期数。

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