CN107064861A - 用于估计到达角的设备以及用于波束成形的设备 - Google Patents

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Abstract

用于估计到达角的设备以及用于波束成形的设备。本发明涉及诸如雷达这样的无线电波接收器中的用于估计接收信号的到达角的设备以及波束成形设备。更具体地，本发明涉及一种通过使用多接收阵列天线利用通过对针对每个接收角度的信号的幅值和相位的失真度进行计算而得到的参考值来精确地估计接收信号的到达角的设备或者用于执行接收信号的波束成形的设备。

Description

用于估计到达角的设备以及用于波束成形的设备
技术领域
本发明涉及诸如雷达这样的无线电波接收器中的用于估计接收信号的到达角的设备以及波束成形设备。更具体地，本发明涉及一种通过使用多接收(multi-reception)阵列天线利用通过对针对每个接收角度的信号的幅值和相位的失真度进行计算而得到的参考值来精确地估计接收信号的到达角的设备或者用于执行接收信号的波束成形的设备。
背景技术
安装在车辆上的雷达装置需要高质量的角分辨率。例如，用于防止和避免向前碰撞的车辆雷达装置可以通过提取当相邻车道上的前方车辆插入(cut in)行驶车道或离开行驶车道时的角度来确定插入情况。车辆雷达可以通过高质量的角分辨率来减小在插入或离开的情况下检测到错误目标的概率，以因此预测碰撞情况并因此确保驾驶员的安全。
此外，车辆雷达需要具有用于在相对小的角度范围内检测远目标的中/远距离检测功能、以及用于在相对宽的角度范围内利用单个天线组件来检测附近目标的近距离检测功能。
此外，典型的雷达装置被配置为具有多个接收天线，所述多个接收天线被布置为获得高质量的角分辨率。也就是说，常规雷达装置采用用于通过布置多个接收天线信道来提高高质量角分辨率的结构。
在这种雷达装置中，一个或更多个发射天线可以发射发送信号，并且多个接收天线元件可以接收由目标反射的反射信号，以因此通过分析接收信号来计算该目标的距离和角度。
此外，可以通过将恒定复合权重(complex weight)分配到多个接收天线元件或者多个接收信道来限定接收信号的波束的导引向量(steering vector)，并且接收信号的波束可以根据导引向量值而具有特定的方向性。
如上所述，通过使用多个接收信道将接收波束引导至特定方向的操作可以被表达为波束成形。
典型的雷达传感器仅使用与目标的距离和速度有关的信息。然而，随着对安全技术的日益增长的需求，已经应用了高分辨率的数字波束成形方法，并且需要用于精确地估计接收信号的到达角的算法。
此外，在典型的雷达装置中，通过多个接收信道接收的接收信号可能由于硬件问题而具有不同的相位值。
因此，为了对针对每个接收信道的相位值的差进行补偿，要预先确定用于每个信道的相位补偿值，并且要通过在实际测量的情况下反映用于每个信道的相位补偿值来对接收信号进行补偿，这可以被表达为校准。
此时，通常基于从雷达装置的前方(在参考角度，即0°处)接收到的信号来确定用于每个信道的相位补偿值。
因此，如果在超出参考位置(即，雷达的前方位置)的角度处接收到用于确定相位补偿值的信号，则相位补偿值可以根据超出参考位置的角度而不同，因此使校准的性能恶化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够提高雷达的接收性能的设备。
本发明的另一目的在于提供一种用于设置针对每个测量角度的参考值并且用于利用所述参考值来估计接收信号的到达角或者执行接收信号的波束成形的设备。
本发明的另一目的在于提供一种估计到达角的设备或者用于执行波束成形的设备，该设备可以执行以下操作：预先确定通过对针对每个测量角度的信号的幅值和相位的失真度进行计算而得到的参考值；通过使用所述参考值来计算相位补偿值；并且利用所述相位补偿值来精确地估计接收信号的到达角，或者通过使用所述参考值来执行接收信号的波束成形。
本发明的另一目的在于提供一种利用通过对针对每个测量角度的信号的幅值和相位的失真度进行计算而得到的参考值来执行信号处理的设备，以因此根据针对每个接收信道的信号的幅值与相位之间的失配、传感器的位置误差、信号定向误差和互耦合问题来减小到达角的估计误差，并因此减小波束成形误差。
为了实现以上目的，本发明的实施方式提供了一种用于利用天线阵列来估计信号的到达角的设备，该设备可以包括：相位补偿值计算单元，该相位补偿值计算单元被配置为利用通过对针对每个测量角度的接收信号的幅值和相位的失真度进行计算而得到的参考值，来获得用于每个测量角度的相位补偿值；导引向量计算单元，该导引向量计算单元被配置为利用通过反映所述相位补偿值而计算出的阵列天线补偿值并且利用预定导引向量，来计算补偿导引向量；以及到达角估计单元，该到达角估计单元被配置为通过基于所计算的补偿导引向量和从所述阵列天线的两个或更多个接收信道接收的接收信号而创建的频谱来估计到达角。
所述到达角估计单元可以通过将所述补偿导引向量和所述接收信号反映到预定的到达角估计算法来创建通过对所述接收信号的频谱进行补偿而得到的补偿频谱，以因此利用所述补偿频谱来估计所述接收信号的到达角，并且所述到达角估计算法可以是Bartlett波束成形算法、Capon波束成形算法或者MUSIC波束成形算法中的一种。
此外，用于每个测量角度的所述相位补偿值可以是根据所述参考值、所述阵列天线的信道数目、参考信道与每个信道的距离以及所述接收信号的波长而计算出的。
所述参考值可以是具有二维矩阵形式的值，该值是根据所述阵列天线的接收信道和所述测量角度而确定的。
本发明的另一实施方式提供了一种用于利用阵列天线来执行接收信号的波束成形的设备，该设备可以包括：相位补偿值计算单元，该相位补偿值计算单元被配置为利用通过对针对每个测量角度的接收信号的幅值和相位的失真度进行计算而得到的参考值，来获得用于每个测量角度的相位补偿值；导引向量计算单元，该导引向量计算单元被配置为利用通过反映所述相位补偿值而计算出的阵列天线补偿值并且利用预定导引向量，来计算补偿导引向量；以及波束成形单元，该波束成形单元被配置为通过使用所计算的补偿导引向量来确定所述接收信号的波束方向(θ)，并且被配置为根据所计算的补偿导引向量来形成接收信号波束。
根据本发明的实施方式的诸如雷达这样的测量设备可以设置针对每个测量角度的参考值，并且可以利用该参考值来估计接收信号的到达角或者执行接收信号的波束成形，以因此提高到达角的测量精度和波束成形的方向性。
更具体地，所述设备可以预先确定通过对针对每个测量角度的信号的幅值和相位的失真度进行计算而得到的参考值，并且可以使用根据与所述参考值的比较而计算出的相位补偿值，以因此精确地估计接收信号的到达角并因此提高接收信号的波束成形精度。
结果，能够根据接收天线的位置误差、信号定向误差和互耦合问题来减小到达角的估计误差，并且通过对每个测量角度的误差和每个接收信道的误差二者进行校正来减小波束成形误差。
附图说明
本发明的以上和其它目的、特征和优点将根据结合附图进行的以下详细描述而更明显，其中：
图1例示了可以应用本发明的雷达装置的整体配置；
图2是根据本发明的实施方式的用于估计到达角的设备的功能框图；
图3是用于说明图2中示出的数字信号处理器的图；
图4例示了根据本发明的实施方式的用于计算针对每个测量角度和每个信道的参考值的环境；
图5是根据本发明的实施方式的接收信号的波束成形设备的功能框图；
图6例示了根据本发明的实施方式的执行波束成形的原理；
图7是根据本发明的实施方式的用于估计到达角的方法的总体流程图；以及
图8是示出在本发明的实施方式中使用的Bartlett波束成形算法的仿真结果的曲线图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细地描述本发明的一些实施方式。在通过附图标记指定附图的元件时，尽管相同的附图标记被示出在不同的附图中，但是它们将指示相同的元件。另外，在本发明的以下描述中，当本文中并入的已知功能和配置的详细描述会使本发明的主题相当不清楚时，将省略其详细描述。
此外，在描述本发明的组件时，可以在本文中使用诸如第一、第二、A、B、(a)、(b)等的术语。这些术语中的每一个不用于限定对应组件的本质、次序或顺序，而是仅用于将对应组件与其它组件区分开来。在描述特定结构元件“连接到”、“联接到”另一结构元件或者“与”另一结构元件“接触”的情况下，应当理解为另一结构元件可以“连接到”、“联接到”该特定结构元件或者“与”该特定结构元件“接触”，以及该特定结构元件直接连接到另一结构元件或者与另一结构元件直接接触。
图1例示了可以应用本发明的雷达装置的整体配置。
根据本实施方式的用于估计到达角的设备或波束成形设备可以被实现为被包括在诸如雷达这样的测量装置中，其可以发送特定的发送信号并且可以测量被目标反射的接收信号，以因此测量该目标的位置、距离和方向。
图1例示了作为测量装置之一的雷达装置的示例，并且雷达装置可以包括一个或更多个发射天线单元110、两个或更多个多接收天线单元120、用于通过发射/接收天线单元来对发送信号进行发送并且对接收信号进行接收的发送/接收单元130、以及数字信号处理器140。
发射天线单元110和接收天线单元120可以由一个或更多个天线元件配置，并且每个天线元件可以是多个发送/接收元件通过传输线连接的阵列天线，但是其不限于此。
在图1的实施方式中，发射天线单元110被配置有单个发射天线，并且接收天线单元120可以包括多个接收天线元件或者接收信道。
此时，接收信道可以具有与接收天线元件相同的含义，并且可以包括用于远程雷达(LRR)的m个LRR接收信道121和用于短程雷达(SRR)的n个接收信道122。
尽管图1例示了用于LRR的8个接收信道和用于SRR的4个接收信道，但是不限于此。
雷达装置可以执行以下操作：通过发射天线来发送具有恒定波形和频率的发送信号；通过多个接收天线元件来接收由目标反射的反射信号；并且分析接收信号，以因此测量目标的信息(例如，距离或方向)。
为此，发送/接收单元130可以切换到发射天线单元110中包括的发射天线中的一个，以因此通过所切换的发射天线来发射发送信号，并且可以包括通过多个接收天线中的一个或更多个对作为由目标反射的发送信号的接收信号进行接收的接收单元。
数字信号处理器140可以执行以下操作：放大所接收的反射信号；将该反射信号与发送信号进行比较；并且测量相位的变化、幅值的变化、频移等，以因此测量到目标的距离、目标的相对速度等。
此外，雷达通过对远距离区域和短距离区域进行整合(integrating)来检测目标，其中，在远距离区域中检测到约±10°的窄区域并且在短距离区域中检测到±45°的宽区域。
因此，在检测宽区域的情况下，由于角度偏离前方，因此测量精度可能不准确。这种现象是由雷达装置的硬件(H/W)公差、取决于接收天线(接收信道)的相位差、接收信道之间的互耦合等引起的。
如上所述，可以由于在用于远距离测量的接收波束与用于短距离测量的接收波束交叠的区域中的测量角度的差异而导致目标分离的问题，因此降低了检测稳定性。
此外，当在典型雷达装置的每个接收信道中接收到相同的信号时，要求接收信道的接收信号的相位相同，然而由于上述各种原因而导致相位值实际上彼此不同。
因此，需要对针对每个接收信道的相位值进行补偿，并且该操作被称为校准。
也就是说，对于雷达的校准，可以预先确定用于每个接收信道的相位补偿值，并且可以在实际测量操作中通过使用该相位补偿值来对每个接收信道的接收信号的相位值进行补偿。
此外，可以仅基于从雷达装置的前方入射(即，具有0°的参考角度的参考位置)的接收信号来计算这种相位补偿值。
然而，在接收信号的入射位置在参考位置(0°)之外的情况下，相位补偿值的精度变低，使得会降低测量精度。
实际上，根据基于参考位置仅计算并使用用于每个接收信道的相位补偿值的校准，当目标相对于参考位置位于9°至10°的角度处时，可以降低短距离区域的测量精度，使得该目标可以被错误地识别为好像存在两个目标。
提出本实施方式是为了通过附加地对用于每个测量角度的相位补偿值以及用于每个接收信道的相位补偿值进行补偿来克服以上问题。
根据本实施方式，可以通过理想的波束图案(beam pattern)或者通过在测试室中的测量来测量表示针对每个测量角度和针对每个接收信道的接收信号的幅值和相位的失真度的参考值，并且可以通过将该参考值与实际接收信号的幅值/相位值进行比较来计算相位补偿值，以便随后使用。
更具体地，根据本实施方式的到达角估计设备200可以被配置为包括：相位补偿值计算单元210，其用于利用通过对针对每个测量角度的接收信号的幅值和相位的失真度进行计算而得到的参考值来获得用于每个测量角度的相位补偿值；导引向量计算单元220，其用于利用通过反映相位补偿值而计算出的阵列天线补偿值并且利用预定导引向量来计算补偿导引向量；以及到达角估计单元230，其用于通过基于所计算的补偿导引向量和从阵列天线的两个或更多个接收信道接收的接收信号创建的频谱来估计到达角。下面将参照图2来描述其详细配置。
图2是根据本发明的实施方式的用于估计到达角的设备的功能框图，并且图3是用于说明图2中示出的数字信号处理器的图。
参照图2，根据本发明的实施方式的到达角估计设备可以被配置为包括阵列天线100和数字信号处理器200，该数字信号处理器200通过利用从阵列天线的接收信道接收的接收信号并且利用补偿导引向量而创建的频谱来估计到达角。
如图1所述，阵列天线100可以包括一个或更多个发射天线以及多个接收信道或接收天线。
例如，构成阵列天线的接收天线单元可以包括用于远程雷达(LLR)的8个接收天线和用于短程雷达(SRR)的4个接收天线，但是不限于此。
数字信号处理器200可以执行以下操作：通过车辆雷达装置发送频率随着时间线性变化的连续波信号；接收由目标反射的连续波信号；并且利用发送信号与接收信号之间的延迟时间以及接收信号相对于发送信号的频移来计算目标的距离、速度或方向。
数字信号处理器200可以包括接收处理单元205、相位补偿值计算单元210、导引向量计算单元220和到达角估计单元220。
接收处理单元205可以执行以下操作：通过多个接收信道接收多接收信号；在每个接收信道的信号路径中执行诸如下行链路频率的处理或者模数转换(ADC)这样的接收处理；并且执行快速傅里叶变换(FFT)和校准。这里，接收信号可以是77GHz的FMCW(调频连续)LRR(远程雷达)信号。
数字信号处理器200还可以包括相对于校准结果执行DBF(数字波束成形)、CFAR(恒虚警率)等的处理的块。
本实施方式仅描述接收连续波信号的结构，而未示出图1的车辆雷达的发送结构。然而，数字信号处理器200可以基于由车辆雷达发送并由目标反射的接收信号来估计到达角。
相位补偿值计算单元210可以事先提供通过对针对每个期望测量角度的接收信号的幅值和相位的失真度进行计算而得到的参考值，并且可以通过使用所提供的参考值和数学上计算的相位值来计算用于校准的相位补偿值。此时，用于校准的相位补偿值可以通过将随后描述的式5来获得。
导引向量计算单元220可以通过使用所计算的用于校准的相位补偿值来获得针对每个接收天线的阵列天线补偿值，并且可以通过将所计算的阵列天线补偿值与预定导引向量相乘来计算补偿导引向量。此时，补偿导引向量可以通过将随后描述的式6来获得。
到达角估计单元230可以估计在空间频谱的FOV(视场)区域中具有峰值的到达角，所述空间频谱是通过使用所计算的补偿导引向量和从阵列天线100的接收信道接收的接收信号而创建的。
到达角估计单元230可以将补偿导引向量和从阵列天线100的接收信道接收的接收信号应用于特定到达角估计算法，以因此估计到达角。
到达角估计算法可以被划分为波束成形算法和子空间算法。
波束成形算法是利用阵列天线的基本到达角估计方法之一。在波束成形算法中，阵列天线可以定位在所有方向上，并且可以通过输出值创建空间频谱，使得指示最大值的位置可以被确定为信号的入射方向。
此时，阵列天线的输出可以由针对每个天线具有权重系数的天线输出的线性组合组成。
由M个元件组成的天线阵列的输出(y(t))可以通过下面的式1来计算。
[式1]
这里，ωm指示第m个天线的权重，并且xm(t)指示第m个天线的输出。此外，*表示复共轭算子。天线阵列的平均输出功率(P(ω))可以通过下面的式2来计算。
[式2]
P(ω)＝E[|y(t)|2]＝ωHE[x(t)xH(t)]ω＝ωHRω
这里，R是指协方差矩阵。可以根据确定权重向量(ω)的方法来使用Bartlett波束成形算法或者Capon波束成形算法。
Bartlett波束成形算法将基于傅里叶变换的频谱分析方法应用到天线阵列。
也就是说，大的权重被赋予沿特定方向入射的信号，以因此使信号输出最大化。可以通过下面的式3来计算用于使阵列天线的输出相对于沿特定方向(θ)入射的信号最大化的Bartlett波束成形算法的权重向量(ωBF)。
[式3]
aH(θ)是指针对特定方向(θ)的阵列天线响应的导引向量。如式4所示，可以通过将式3应用于式2来获得Bartlett波束成形的空间频谱PBF(θ)。
[式4]
此外，分配给用于波束成形的每个接收信道或接收天线的权重可以是具有复数值的复合权重，并且关于多个接收信道的复合权重的组可以被限定为导引向量。
下面将描述通过到达角估计单元来估计到达角的详细操作。
根据本发明的实施方式的到达角估计设备可以通过在针对测试环境所制造的室中对针对每个测量角度的接收信号的幅值和相位的失真度进行计算来确保参考值，并且可以通过使用该参考值执行补偿信号处理来估计到达角。
更具体地，到达角估计设备可以通过凭借理想波束图案或者在测试室中的测量来测量指示针对每个测量角度和针对每个接收信道的接收信号的幅值和相位的失真度的参考值，来估计到达角。
图4例示了根据本发明的实施方式的用于计算针对每个测量角度和针对每个信道的参考值的环境。
如图4所示，在测试环境的室中设置了已应用本实施方式的雷达装置，并且目标设置在前方(参考位置；测量角度＝0°)并且设置在各种测量角度。然后，针对每个接收信道接收信号，以因此测量接收信号的幅值和相位的失真度。
此时，在每个接收信道中接收到的接收信号的幅值和相位的失真度可以被配置为当目标基于由参考位置中的目标反射并且在参考接收信道中被接收的接收信号而被设置在各种测量角度时的参考值。
参考值可以按照二维矩阵的形式来配置，其对于每个接收通道和对于每个测量角度具有恒定值，如下表1所示。
[表1]
也就是说，本发明的参考值指示针对每个测量角度和针对每个接收信道的理想接收信号的幅值和相位的失真度。
因此，如果在雷达的实际测量处理中根据从设置在特定角度处的目标接收的接收信号测量的信号幅值和相位与参考值不同，则可以基于相对于基准值的差值来计算本发明的相位补偿值。
更具体地，在根据上述方式计算的参考值被表示为Gm(θ)(m＝1，…，M)(M是指阵列天线的元件的数目，即，接收信道的数目)的情况下，相位补偿值计算单元210可以基于参考值Gm(θ)和下面的式5来执行天线补偿信号处理，以因此计算用于校准的相位补偿值。
[式5]
在式5中，Cm(θ)指示用于补偿的相位补偿值，并且λ指示接收信号的波长。dm指示参考元件(参考接收信道或者参考接收天线)与每个接收天线元件之间的距离。
也就是说，用于每个测量角度的相位补偿值Cm(θ)可以由参考值Gm(θ)、阵列天线的信道数目(M)、参考信道与每个信道之间的距离(d)以及接收信号的波长(λ)来计算。
接下来，导引向量计算单元220可以通过使用在式5中计算的补偿值Cm(θ)根据下面的式6来计算天线阵列补偿值M(θ)。
[式6]
在式6中，diag{}表示矩阵对角化。补偿导引向量(SH(θ))可以通过将由式6计算出的阵列天线补偿值(M(θ))应用到下面的式7来获得。
[式7]
SH(θ)＝aH(θ)M(θ)
在式7中，aH(θ)是指针对特定方向(θ)的阵列天线响应的导引向量。
可以通过分别在式7中计算的补偿导引向量(SH(θ))应用至上述式4中来获得通过下面的式8进行补偿的频谱。
[式8]
也就是说，根据本发明的到达角估计设备的相位补偿值计算单元210可以利用通过计算针对每个接收信道和针对每个测量角度的接收信号的幅值和相位的失真度而得到的参考值Gm(θ)并且利用式5来获得相位补偿值Cm(θ)。
接下来，导引向量计算单元220可以通过使用所计算的相位补偿值Cm(θ)和式6来获得阵列天线补偿值M(θ)，并且可以通过使用阵列天线的阵列天线补偿值M(θ)和预定导引向量aH(θ)由式7来计算补偿导引向量SH(θ)。
补偿导引向量可以是指分配给接收信道的多个复合权重的组。
接下来，到达角估计单元230可以通过基于所计算的补偿导引向量SH(θ)和从阵列天线的两个或更多个接收信道接收的接收信号创建的频谱来估计到达角。
更具体地，到达角估计单元230可以通过使用所计算的补偿导引向量SH(θ)借助式4对接收信号的Bartlett波束成形的空间频谱PBF(θ)进行补偿，以因此创建如式8所示的补偿后的波束成形的空间频谱PBF(θ)。
在补偿后的波束成形空间频谱中具有最大峰值的位置可以被确定为接收信号的入射方向(即，到达角)。
此外，除了上述Bartlett波束成形算法之外，根据本发明的到达角估计设备可以使用作为基于子空间的代表性算法的Capon波束成形算法或者MUSIC波束成形算法。
也就是说，可应用于本发明的到达角估计算法可以是Bartlett波束成形算法、Capon波束成形算法或者MUSIC波束成形算法中的一种。
Capon波束成形算法在使沿特定方向入射的信号的增益保持恒定的同时赋予干扰信号或噪声相对小的权重。
作为基于子空间的代表性算法的MUSIC波束成形算法通过协方差矩阵的特征值分解来将阵列天线输出分离为信号子空间和噪声子空间，以因此通过使用子空间的信息来估计到达角。
Capon波束成形算法和MUSIC波束成形算法被广泛地用于波束成形领域，使得将在本说明书中省略其详细描述。
图5是根据本发明的实施方式的接收信号的波束成形设备的功能框图。
如图5所示，根据本实施方式的波束成形设备可以通过使用包括多个接收天线的阵列天线来执行接收信号的波束成形，并且可以包括雷达。
波束成形设备500可以被配置为包括相位补偿值计算单元510、导引向量计算单元520和波束成形单元530。
相位补偿值计算单元510可以利用通过对针对每个测量角度的接收信号的幅值和相位的失真度进行计算而得到的参考值，来获得用于每个测量角度的相位补偿值。由于相位补偿值计算单元510具有与图2中描述的到达角估计设备的相位补偿值计算单元相同的功能，因此将省略其详细描述以避免重复。
导引向量计算单元520可以利用通过反映所计算的相位补偿值而计算出的阵列天线补偿值并且利用预定导引向量来执行计算补偿导引向量的功能。由于导引向量计算单元520具有与图2中描述的到达角估计设备的导引向量计算单元相同的配置，因此将省略其详细描述以避免重复。
波束成形单元530可以通过使用所计算的补偿导引向量来确定接收信号的波束方向(θ)，以因此执行形成接收信号波束的功能。
更具体地，根据本发明的波束成形设备的相位补偿值计算单元510可以利用通过针对每个测量角度和针对每个接收信道的接收信号的幅值和相位的失真度而计算出的参考值Gm(θ)并且利用式5来获得相位补偿值Cm(θ)。
接下来，导引向量计算单元520可以通过使用所计算的相位补偿值Cm(θ)和式6来获得阵列天线补偿值M(θ)，并且可以通过使用阵列天线的阵列天线补偿值M(θ)和预定导引向量aH(θ)借助式7来计算补偿导引向量SH(θ)。
波束成形单元530可以通过使用所计算的补偿导引向量SH(θ)来形成具有期望波束角度(θ)的接收波束。
也就是说，根据本发明的波束成形设备可以预先确定通过对针对每个测量角度的信号的幅值和相位的失真度进行计算而得到的参考值，并且可以通过使用根据与参考值的比较所计算的相位补偿值来补偿接收波束的导引向量，以因此确保精确的波束成形方向性。
图6例示了根据本发明的实施方式的执行波束成形的原理。
图6例示了在波束角度(θ)的情况下通过使用两个接收信道执行的波束成形。
在图6中，右接收天线对应于参考接收信道，而左接收天线是指与参考接收天线间隔开距离(d)的第一信道接收天线。此时，距离(d)可以被假定为信号波长的一半(λ/2)。
此时，在由参考接收天线接收的接收信号s(t)与由与参考接收天线间隔开距离(d)的第一信道接收天线接收的接收信号之间可以存在d*sinθ的距离差，使得可以发生如下面的式9中所示的相位差
[式9]
也就是说，在通过参考信道接收的信号的相位值为零的情况下，通过第一信道接收的信号可以具有-jπsinθ的相位值。因此，为了通过使用两个接收天线来形成具有θ的波束角度的波束，将1的复合权重分配给参考信道，并且将ejπsinθ的复合权重分配给第一接收信道。
类似地，可以将ej2πsinθ的复合权重分配给与参考信道间隔开2d的第二接收信道。
如上所述，接收波束可以通过将唯一的复合权重分配给多个接收信道而具有恒定的方向角(θ)。此时，要被分配给多个接收信道的复合权重的组可以被限定为导引向量。
在本发明中，关于如在图6中所述的波束成形或者角度估计，使用了相位补偿值，所述相位补偿值是基于在计算用于确定接收信号的方向的导引向量时用于每个测量角度的上述参考值而计算出的。
也就是说，本发明可以计算相位补偿值Cm(θ)，所述相位补偿值是基于用于每个测量角度的参考值(式5)、阵列天线补偿值M(θ)(式6)和补偿导引向量SH(θ)通过使用阵列天线的预定导引向量aH(θ)(式7)而计算出的，并且本发明可以通过使用如图6中所示的补偿导引向量来执行波束成形。
图7是根据本发明的实施方式的用于估计到达角的方法的流程图。
参照图7，包括在到达角估计设备中的数字信号处理器200可以确保通过对针对每个期望的测量角度的接收信号的幅值和相位的失真度进行计算而得到的参考值(S711)。参考值可以通过在测试环境的制造室中对针对每个角度的幅值和相位的失真度进行计算来获得。
数字信号处理器200可以获得用于校准的相位补偿值(S713)。也就是说，数字信号处理器200可以将在操作S711中获得的参考值和在数学上计算的理想相位值应用到上述式5，以因此获得用于校准的相位补偿值。
数字信号处理器200可以通过在操作S713中获得的用于校准的相位补偿值的矩阵对角化来获得阵列天线补偿值，并且可以通过将阵列天线补偿值与导引向量相乘来计算补偿导引向量(S715)。
阵列天线补偿值可以根据上述式6来计算，并且补偿导引向量可以根据上述式7来计算。
此后，数字信号处理器200可以从阵列天线的接收信道来接收接收信号(S717)。虽然本实施方式示出了在操作S715之后从阵列天线的接收信道来接收接收信号，但是本发明不限于以上顺序，并且可以在将随后描述的操作S719之前从阵列天线的接收信道来接收接收信号。
数字信号处理器200可以将在操作S715中计算的补偿导引向量和在操作S717中接收的接收信号应用于到达角估计算法，以因此创建空间频谱(S719)。到达角估计算法可以是Bartlett波束成形算法、Capon波束成形算法或者MUSIC算法中的一种。
通过上述操作创建的空间频谱可以与基于理想相位值获得的频谱不同，所述空间频谱可以被表示为补偿后的频谱。
数字信号处理器200可以通过在S719中创建的补偿后的频谱来估计到达角(S721)。也就是说，数字信号处理器200可以将在所创建的频谱中具有最大峰值的角度估计为到达角。
图8是示出在本发明的实施方式中使用的Bartlett波束成形算法的仿真结果的曲线图。
图8示出了用于实际到达角为-11°的Bartlett波束成形算法的仿真结果。
关于模拟条件，输入信号在将到达角相对于-11°至0°的到达角改变1°的同时针对所有数据进行仿真，并且元件之间的距离为1.6λ。此外，阵列天线元件的数目或者接收信道的数目是8，并且目标的数目是1。
在将导引向量(θL)增加0.5°的同时执行补偿之前的到达角的估计，并且应用式4。因为补偿值由1°提供，所以在将导引向量(θL)增加1°的同时执行补偿之后的到达角的估计，并且应用式5至式7。
如图8所示，根据本实施方式的未被补偿的原始频谱(原始PSD)的到达角是-12.5°，其与实际到达角不同。
此外，根据本发明的补偿之后的结果指示所有数据中的-11°，这证明了补偿效果。
虽然下面的表1示出了在-11°至0°的范围内改变实际角度的同时在补偿之前和补偿之后的结果，但是-11°至0°的范围仅是示例。
能够看到的是，所有角度在通过使用Bartlett波束成形算法的补偿之后与实际到达角相匹配，以因此具有补偿效果。
[表2]
如表2所示，当估计角度时，常规的到达角估计算法是不精确的，但是能够通过将补偿导引向量应用于到达角估计算法执行补偿信号处理来解决角度估计的不精确性，所述补偿导引向量是利用通过对针对每个角度的幅值和相位的失真度进行计算而得到的参考值来计算出的。
表2示出了关于Bartlett波束成形算法补偿前后的结果的比较，并且与77GHz的FMCW LRR信号有关地确认了仿真结果。
作为测试的结果，虽然该值在补偿之前的一些情况下与实际到达角相匹配，但是大多数值与实际到达角相差0.5°至1.5°。
本实施方式已确认，能够通过反映利用通过对针对每个角度的幅值和相位的失真度进行计算而得到的参考值最终计算的补偿导引向量来将该值校准到实际到达角。
此外，虽然在附图中未示出，但是确认了能够在使用除了Bartlett波束成形算法之外的Capon波束成形算法和MUSIC波束成形算法的情况下获得类似的到达角补偿效果。
如上所述，根据本发明的实施方式的诸如雷达这样的测量设备可以设置用于每个测量角度的参考值，并且可以通过使用该参考值来估计接收信号的到达角或者执行接收信号的波束成形，以因此提高到达角的测量精度和波束成形的方向性。
更具体地，该设备可以预先确定通过对针对每个测量角度的信号的幅值和相位的失真度进行计算而得到的参考值，并且可以使用根据与参考值的比较而计算出的相位补偿值，以因此精确地估计接收信号的到达角并因此提高接收信号的波束成形精度。
结果，能够根据接收天线的位置误差、信号定向误差和互耦合问题来减小到达角的估计误差，并且通过对每个测量角度的误差和每个接收通道的误差二者进行校正来减小波束成形误差。
以上说明和附图仅处于说明的目的提供了本发明的技术思想的示例。在本发明所属技术领域中的普通技术人员将领会的是，能够在不脱离本发明的基本特征的情况下在诸如配置的组合、分离、替换和改变这样的形式上进行各种修改和改变。因此，在本发明中所公开的实施方式旨在说明本发明的技术思想的范围，并且本发明的范围不限于所述实施方式。本发明的范围应当在所附的权利要求的基础上按照包括在等同于这些权利要求的范围内的所有技术思想都属于本发明这样的方式来解释。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年10月22日提交的韩国专利申请No.10-2015-0147490的优先权，该韩国专利申请出于所有目的通过引用被并入到本文中，如同其全部在本文中陈述一样。

Claims (8)

1.一种用于利用天线阵列来估计信号的到达角的设备，该设备包括：
相位补偿值计算单元，该相位补偿值计算单元被配置为利用通过对针对每个测量角度的接收信号的幅值和相位的失真度进行计算而得到的参考值，来获得用于每个测量角度的相位补偿值；
导引向量计算单元，该导引向量计算单元被配置为利用通过反映所述相位补偿值而计算出的阵列天线补偿值并且利用预定导引向量，来计算补偿导引向量；以及
到达角估计单元，该到达角估计单元被配置为通过基于所计算的补偿导引向量和从所述阵列天线的两个或更多个接收信道接收的接收信号而创建的频谱来估计到达角。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述到达角估计单元通过将所述补偿导引向量和所述接收信号反映到预定的到达角估计算法来创建通过对所述接收信号的频谱进行补偿而得到的补偿频谱，以因此利用所述补偿频谱来估计所述接收信号的到达角。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述到达角估计算法是Bartlett波束成形算法、Capon波束成形算法或者MUSIC波束成形算法中的一种。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，用于每个测量角度的所述相位补偿值是根据所述参考值、所述阵列天线的信道数目、参考信道与每个信道的距离以及所述接收信号的波长而计算出的。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述参考值是具有二维矩阵形式的值，该值是根据所述阵列天线的接收信道和所述测量角度而确定的。
6.一种用于利用阵列天线来执行接收信号的波束成形的设备，该设备包括：
相位补偿值计算单元，该相位补偿值计算单元被配置为利用通过对针对每个测量角度的接收信号的幅值和相位的失真度进行计算而得到的参考值，来获得用于每个测量角度的相位补偿值；
导引向量计算单元，该导引向量计算单元被配置为利用通过反映所述相位补偿值而计算出的阵列天线补偿值并且利用预定导引向量，来计算补偿导引向量；以及
波束成形单元，该波束成形单元被配置为通过使用所计算的补偿导引向量来确定所述接收信号的波束方向θ，并且被配置为根据所计算的补偿导引向量来形成接收信号波束。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，用于每个测量角度的所述相位补偿值是根据所述参考值、所述阵列天线的信道数目、参考信道与每个信道的距离以及所述接收信号的波长而计算出的。
8.根据权利要求6所述的设备，其中，所述参考值是具有二维矩阵形式的值，该值是根据所述阵列天线的接收信道和所述测量角度而确定的。
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