CN110662982B - 具有方位和高度之高角分辨率的紧凑型雷达切换/mimo阵列天线 - Google Patents

具有方位和高度之高角分辨率的紧凑型雷达切换/mimo阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种使用较少发射(Tx)和接收(Rx)阵列元件来增大雷达切换/MIMO天线阵列的有效孔径的方法，根据该方法，雷达物理接收(Rx)/发射(Tx)元件阵列被布置在至少两个相对的Rx行和至少两个相对的Tx列中，使得每行包括彼此均匀间隔的多个接收(Rx)元件，且每列包括彼此均匀间隔的多个发射(Tx)元件；该阵列形成矩形物理孔径。当用作切换阵列时，来自一个列的第一Tx元件被激活，以在预定时隙期间发射雷达脉冲；在所有Rx元件中接收第一发射的反射，从而围绕由矩形物理孔径内第一Tx元件的位置所确定的原点，虚拟地复制两个相对的Rx行。在不同时隙期间，对所有剩余的Tx元件重复该过程，从而围绕由矩形物理孔径内每个被激活Tx元件的位置所确定的原点，虚拟地复制两个相对的Rx行，同时每次在所有Rx元件中接收来自于每个Tx元件的发射的反射。这样，用复制的两个相对的Rx行，铺设具有两倍于矩形物理孔径尺寸的矩形虚拟孔径。该虚拟孔径确定雷达波束的宽度和旁瓣。

Description

具有方位和高度之高角分辨率的紧凑型雷达切换/MIMO阵列 天线
技术领域
本发明涉及成像雷达领域。更具体地，本发明涉及一种紧凑型雷达切换阵列天线，其具有方位和高度的高的角分辨率，并具有增大的有效孔径。
背景技术
近年来，许多行业正在转向自主解决方案(autonomous solution)，如汽车行业、运输等。这些自主平台应在同时与固定和移动物体相互作用的环境中运行。为此目的，这些系统需要传感器套件，以便能可靠和有效地感知其周围环境。例如，为了使自动驾驶汽车在具有其他车辆的道路上规划其路线，轨迹规划器(trajectory planner)必须具有环境的3D地图，该3D地图带有移动物体的标识。视觉传感器也因恶劣天气和能见度差(例如雾、烟、沙、风暴等)而退化，其也会限制径向速度的评估。光探测和测距设备(LIDARs，用于通过采用激光照射目标而测量到该目标的距离)是昂贵的，大多数具有移动部件和非常有限的范围。雷达是一种增强(非替代)的技术。
由于光学(激光)技术的视觉传感器在距离精度和可靠性问题中的自然限制，生成上述3D地图的最佳解决方案是通过雷达技术。但其提出了一系列的新要求，而目前的雷达并不满足这些要求。
通常，接收天线的较大孔径允许接收更多辐射，并提供更大的灵敏度，或等效地允许更窄的主瓣。从而，接收天线可以接收较弱的信号，并提供关于信号方向的相对准确的指示。
另一方面，车载雷达(包括汽车成像雷达)只需要较低的灵敏度(因为距离相对较短，并且从目标反射的信号相对较强)。然而，车载雷达不需要检测点目标(例如飞机或导弹)，但需要高精度，以便于提供环境信息的图像，该图像用作同步定位和映射(SLAM)算法的输入。同步定位和映射(SLAM)算法应该检测障碍物的位置，该障碍物例如为附近的其他汽车或行人。高精度的窄波瓣将能够提供目标图像的更清晰的轮廓线。波瓣宽度仅由等效孔径确定，并归一化(normalized)为雷达发射信号的波长，(而不是由孔径内接收天线元件的数量确定，接收天线元件数量会影响灵敏度，即检测弱反射信号的能力以及模糊分辨率和旁瓣水平)，。
成像雷达的另一个关键性能参数是天线阵列的旁瓣电平(side lobes level)。在旁瓣方向存在大的物体(例如墙壁)的情况下，来自所述物体的衰减形式的反射看起来出现在主瓣的方向上，并且可以掩蔽源自障碍物(例如行人)的反射，或制造可以导致车辆停止的幻影障碍物。因此，在汽车成像雷达中，尽可能减少旁瓣是至关重要的。
因此，本发明的一个目的是提供一种紧凑型雷达切换阵列天线，其具有方位和高度的高的角度精度(分辨率)，并具有增大的有效孔径，同时使用较少的发射(Tx)和接收(Rx)元件，以满足成本、空间、功率和可靠性的要求。
本发明的另一个目的是提供一种紧凑型雷达天线阵列，其具有方位和高度的高的角度精度(分辨率)，并具有增大的有效孔径，同时减少了不需要的旁瓣。
伴随下面的描述，本发明的其他目的和优点将变得显而易见。
发明内容
本发明涉及一种使用较少量发射(Tx)和接收(Rx)阵列元件来增大雷达切换/MIMO天线阵列的有效孔径的方法，根据该方法，雷达物理接收(Rx)/发射(Tx)元件阵列设置在至少两个相对的Rx行和至少两个相对的Tx列中，使得每行包括彼此均匀间隔的多个接收(Rx)元件，且每列包括彼此均匀间隔的多个发射(Tx)元件；该阵列形成矩形物理孔径。当用作切换阵列时，来自一个列的第一Tx元件被激活，以在预定时隙期间发射雷达脉冲；第一发射的反射被所有的Rx元件接收，从而围绕由矩形物理孔径内第一Tx元件的位置所确定的原点，虚拟地复制(virtually replicating)两个相对的Rx行。在不同时隙期间对所有剩余的Tx元件重复该过程，从而围绕由矩形物理孔径内每个被激活Tx元件的位置所确定的原点，虚拟地复制两个相对的Rx行，同时每次在所有Rx元件中接收来自于每个Tx元件的发射的反射。这样，用复制的两个相对的Rx行铺设具有两倍于矩形物理孔径尺寸的矩形虚拟孔径。该虚拟孔径确定雷达波束的宽度和旁瓣。
上述复制方法在MIMO或混合切换/MIMO设计中同样很好地工作，其中一些信号由多个Tx阵列元件使用正交波形同时发射，该正交波形随后在接收器中分离。
Tx列有2组，物理孔径的每一侧各有一组。每一组可以包含一个或多个标称间距为λ/2的列。
左侧组的最左侧列与右侧组的最左侧列之间的间隔，恰好是Rx元件之间的间距乘以Rx元件的数量。
同样地，底行和顶行之间的间隔恰好是Tx元件之间的间距乘以Tx元件的数量。
这两个设计约束对于保持低旁瓣是至关重要的。
一方面，可以使用正交波形在不同时间激活或同时激活发射阵列元件。
数据则可以从接收阵列元件组同时收集。
本发明还涉及一种雷达传感器，其包括：
a)雷达物理接收(Rx)/发射(Tx)元件阵列，其设置在至少两个相对的Rx行和至少两个相对的Tx列中，使得每行包括彼此均匀间隔的多个接收(Rx)元件，且每列包括彼此均匀间隔的多个发射(Tx)元件；该阵列形成矩形物理孔径；
b)处理器，其适于：
b.1)激活一个列中的第一Tx元件，以在预定时隙期间发射雷达脉冲并在所有Rx元件中接收第一发射的反射，从而围绕由矩形物理孔径内的第一Tx元件的位置所确定的原点，虚拟地复制两个相对的Rx行；以及
b.2)在不同的时隙期间对所有剩余的Tx元件重复前一步骤，从而围绕由矩形物理孔径内每个被激活Tx元件的位置所确定的原点，虚拟地复制两个相对的Rx行，其中每次在所有Rx元件中接收来自于每个Tx元件发射的反射，从而用复制的两个相对的Rx行，铺设具有两倍于矩形物理孔径尺寸的矩形虚拟孔径。
雷达频率可以为至少77GHz。
阵列可以包括平行的行和平行的列，其中，这些行在方位上是“满(full)”的，这些列在方位上“疏(thin)”的。
阵列也可以包括平行的行和平行的列，这些行在高度上是“疏”的，这些列在高度上是“满”的。
以在每一时隙激活一个Tx元件的方式激活所有Tx元件，可以在垂直(例如，向上)和水平(例如，向右)方向上增大孔径的有效尺寸。
附图说明
图中：
图1a-1e示出了根据本发明的、用于高的方位和高度角坐标分辨率的疏/满框架阵列设计；和
图2示出了来自顶下视图(a)和来自摄像机视点的DSP典型输出。
优选实施例的详细描述
本发明提供一种高分辨率的紧凑型雷达切换(switch)阵列天线设计，其具有方位和高度的高角坐标精度、增大的有效孔径、以及减少的不需要的旁瓣，并使用较少的发射(Tx)和接收(Rx)元件。
为了获得高分辨率，已经基于MIMO-SAR疏/满(thin/full)法，采用切换或非切换天线阵列(Switched or non-switched Antenna Array，SAA)设计了相控阵。在这种类型的雷达中，有一些发射阵列元件和一组接收阵列元件组，并使用正交波形，在不同的时间激活或同时激活这些发射阵列元件，并从该接收阵列元件组同时收集数据。为了实现高分辨率，雷达应该具有相对于载波信号波长(对于79GHzλ＝0.4cm)的大孔径。此外，对于完整的3D感测，在方位和高度上都需要大孔径。为了在两个方向上获得最大孔径，同时最小化元件的数量和阵列的物理尺寸，提出了一种特殊的框架设计，其在疏/满阵列设计中使用Τx-Rx对偶性(duality)。根据这种设计，Rx阵列在方位上是满的、在高度上是疏的，且Tx阵列在高度上是满的、在方位上是疏的。
此外，得到的等效阵列孔径(其确定波束宽度和旁瓣衰减)大约是阵列的物理尺寸的两倍。使用适当的信号处理，得到的孔径是实际框架尺寸的两倍。
传统的解决方案增加了阵列物理孔径内的接收(Rx)和发射(Tx)元件的数量，并且缺少上述的倍增效应。例如，典型的阵列可以包括12个Tx元件的列和144个Rx元件的行，产生144×12＝1728个元件的阵列。这显著地增加了成本并降低了这种阵列的可靠性。
另一方面，如将在稍后展示的，本发明提出的新颖设计仅采用48个Rx元件和36个Tx元件就能够实现相同的精度和旁瓣衰减，这使得阵列中总共仅有84个元件(节省约95％)。
等效孔径归一化为发射雷达脉冲的波长λ。因此，为了获得高分辨率，优选以高频发射。在该示例中，雷达频率约为79GHz。
尽管所提出的设计需要发射36个后续或正交雷达脉冲以获得单个框架，但是元件数量的节省是显著的。
图1a示出了根据本发明实施例的、具有减少元件数量的高分辨率物理阵列的第一布局。本发明提出的第一阵列具有两个平行的行101和102(在方位方向上)和两个平行的列110和111，每一行有72个接收(Rx)元件(它们的标称间距为大约0.5λ)，每一列有6个发射(Tx)元件(它们的间距恰好是Rx元件间距的72倍＝彼此间隔36λ)。可以看出，这是一个“疏”/“满”矩形排列(由满的发射阵列和疏的接收阵列组成，或者反之)；其中，行在方位上是“满”的(即包含多个具有约0.5λ间距的元件Rx)，列在方位上是“疏”的(即包含多个间距为“满”间距72倍的元件Tx)。对于高度，角色是相反的，列是“满”的，行是“疏”的。
在图1a所示的特殊情形下，方位和高度的“疏”尺寸均为2，且等效阵列尺寸约为物理尺寸的两倍。
物理孔径的大小是AxB，其由矩形尺寸定义，而不管元件的总数。在切换模式中，基本概念是在一个时隙仅从一个Tx元件发射且在所有48个Rx元件中接收反射。在该示例中，发射开始于左下位置处列110中的发射元件100。行101和102中的Rx元件接收反射信号。需说明的是，切换模式中发射元件的顺序可以是任意的。
图1b示出了如何在不增加更多元件的情况下向上增大孔的有效尺寸。从Tx元件103激活下一发射，Tx元件103在列110中左下位置上方的一个位置。这相当于将物理行101和102虚拟地复制到上方的一个位置，成为虚拟行101a和101b。行101a和102a中的Rx元件接收反射信号。对于列110中的所有Tx元件重复该过程，同时每次添加物理行101和102(其接收重新选择的信号)的附加复制，直到行101和行102上方的区域被复制的虚拟行所铺设。这将孔径矩形的有效垂直尺寸增大到2B(而不是物理垂直尺寸B)。
图1c示出了如何在不增加更多元件的情况下向右增加孔的有效尺寸。从右下位置处列111中的Tx元件104激活下一发射，这相当于将物理行101和102的完整位置虚拟地复制到右侧，成为虚拟行101b和102b。虚拟复制行101b和102b中的Rx元件接收反射信号。
图1d示出了如何在不增加更多元件的情况下向右增加孔径的有效尺寸。从Tx元件105激活下一发射，Tx元件105在列111中右下位置上方的一个位置。这相当于将物理行101和102的完整位置虚拟地复制到右侧和上方的一个位置，以成为虚拟行101c和102c。行101c和102c中的Rx元件接收反射信号。对列111中的所有Tx元件重复该过程，同时每次添加物理行101和102(其接收重新选择的信号)的附加复制，直到虚拟复制行101b和行102b上方的区域被复制的虚拟行所铺设。这将孔径矩形的有效水平尺寸增大到2A(而不是物理水平尺寸A)。
图1e示出了如何在不增加更多元件的情况下向上且向右增加孔径的有效尺寸，其通过以每一时隙激活一个Tx元件的方式激活所有Tx元件而得到。得到的等效孔径尺寸为2Ax2B，是物理元件确定的孔径(其为AxB)的两倍。对于使用正交波形同时发射的天线，同样产生物理孔径的这种倍增。
在上述阵列的第二变形中，2个列中的每一个通过每次移位λ/2的一系列移位(例如向右)复制(N-1)次，从而产生两个三联列。所有6列中的元件总数现在为6N。对于N＝3，Tx元件的总数是36。
两个72个元件的行中的每一个现在以3:1抽取，因此每行现在有24个元件，元件的标称间距为3/2λ，且两行中元件的总数为48。
无论是顺序还是同时从所有36个元件发射，仅使用36个TX和48个RX阵列元件产生36x48＝1728个元件的等效阵列。
上面的两个替代设计举例说明了如何变换Tx和Rx元件的数量，例如，从12Tx和144Rx到36Tx和49Rx。在将设计应用于可获得的雷达收发器芯片以节省芯片数量时，这一点至关重要。雷达前端基于ST Microelectronics雷达收发器芯片STRADA770，其具有4个Rx通道和3个Tx通道；可选择连接几个这样的芯片以创建更大的阵列。在所提出的设计中，使用了12个这样的芯片，其提供了48个Rx通道和36个Tx通道，并且允许在方位角上获得约0.9°的分辨率，在仰角(窗口前的@视轴)上获得约2.4°的分辨率；FOV在方位角上为90°，在仰角上为22.5°，阵列大小约为13x10厘米。
在不减损上述内容的情况下，需注意的是，本提交中的“天线”有时候用作阵列元件的同义词。每个阵列元件本身可以是天线的子阵列。例如，Tx或Rx阵列元件中的每一个本身可以是天线的垂直子阵列。
信号处理
处理单元基于Xilinx Zynq-7000系列组合微处理器FPGA SoC。该单元控制雷达前端且同时处理IF数据。在每个雷达框架中，我们从36个Tx通道中的每一个发射高达1GHz带宽的100μs啁啾，其中一些啁啾的频率增加(向上啁啾)，一些啁啾的频率减少(向下啁啾)。处理单元使用集成的FIFO缓冲器通过并行总线获取采样的IF数据。然后为每个Rx-Tx对计算512点FFT。然后我们对结果使用另一个3D FFT(对应于速度、方位和高度维度)，但是以等级划分方式，因此只有具有合理概率的目标存在的区域才会在接下来的步骤中被处理。这种方法产生从每个FFT步骤到下一步的稀疏输出，在平均情况下显著减少处理量。最后，生成4-D体素(距离、速度、方位、高度)列表，并指示在该体素中出现目标的概率。该概率是根据在负频谱中计算的噪声分布(零假设)计算的，该负频谱总是仅由噪声分量而不是由真实目标组成。
虽然已经通过说明的方式描述了本发明的一些实施例，但是显而易见的是，本发明可以在不超出权利要求范围的情况下，藉由许多修改、变化和改变，以及采用使用本领域范围内的许多等同物或替代解决方案来实施。

Claims (18)

1.一种增大雷达切换/多输入多输出(MIMO)天线阵列的有效孔径的方法，包括：
提供彼此均匀间隔的只为物理接收(Rx)天线元件以及彼此均匀间隔的只为发射(Tx)天线元件的阵列，该阵列被设置为至少两个相对的Rx元件行和至少两个相对的Tx元件列，并形成矩形物理孔径；
激活一个列中任意单一的第一Tx元件，以发射雷达脉冲，并在所有Rx元件中接收第一发射的反射，从而围绕由所述矩形物理孔径内的所述第一Tx元件的位置所确定的原点，虚拟地复制所述两个相对的Rx元件行；
按任意顺序逐一单独地对所有剩余的Tx元件执行前一步骤，从而围绕由所述矩形物理孔径内每个被激活Tx元件的位置所确定的原点，虚拟地复制所述两个相对的Rx元件行，同时每次在所有Rx元件中接收来自于每一Tx元件的发射的反射；
其中，Rx元件行在方位角方向上是“满”的，在仰角上是“疏”的；而Tx元件列在仰角上是“满”的，在方位角上是“疏”的；
形成尺寸为两倍于矩形物理孔径的矩形虚拟孔径；
从而在所有方向上增大该孔径的有效尺寸。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，每一列中Tx元件之间的间距是λ/2，λ是Tx元件所发射的雷达脉冲的波长。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，Rx元件之间的间距为λ/2乘以每侧的Tx列数。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在上述的激活和执行步骤中，Tx元件在不同的时隙期间顺序发射。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，该方法还包括从每一Rx元件同时收集数据。
6.一种雷达传感器，包括：
一阵列，其包括只有均匀间隔的物理接收(Rx)天线元件和均匀间隔的发射(Tx)天线元件，该阵列被设置为至少两个相对的Rx元件行和至少两个相对的Tx元件列，并形成矩形物理孔径；
一处理器，其适于：
激活一个列中任意单一的第一Tx元件，以发射雷达脉冲，并在所有Rx元件中接收第一发射的反射，从而围绕由所述矩形物理孔径内的所述第一Tx元件的位置所确定的原点，虚拟地复制所述两个相对的Rx元件行；按任意的顺序逐一单独地对所有剩余的Tx元件执行前一步骤，从而围绕由所述矩形物理孔径内每个被激活Tx元件的位置所确定的原点，虚拟地复制所述两个相对的Rx元件行，同时在所有Rx元件中接收来自于每一Tx元件的发射的反射；
其中，Rx元件行在方位角方向上是“满”的，在仰角上是“疏”的；而Tx元件列在仰角上是“满”的，在方位角上是“疏”的；
其中，所述的处理器能有效地形成具有两倍于矩形物理孔径尺寸的矩形虚拟孔径；以及
其中，该孔径的尺寸在所有方向上被有效增大。
7.根据权利要求6所述的雷达传感器，其中，Tx元件所发射的雷达脉冲的频率为至少77GHz。
8.根据权利要求6所述的雷达传感器，其中，Rx元件行在方位角方向上是“满”的，Tx元件列在方位角上是“疏”的。
9.根据权利要求6所述的雷达传感器，其包括平行的行和平行的列，所述行在方位角上是“满”的，所述列在方位角上是“疏”的。
10.根据权利要求6所述的雷达传感器，其中，Rx元件行在仰角上是“疏”的，Tx元件列在仰角上是“满”的。
11.根据权利要求6所述的雷达传感器，其中，以每一时隙激活一个Tx元件的方式激活所有Tx元件，从而在所有方向上增大孔径的有效尺寸。
12.根据权利要求6所述的雷达传感器，其中，所述的处理器适于在第一时隙期间激活所述第一Tx元件，在其它不同的时隙期间激活其余的Tx元件 。
13.根据权利要求6所述的雷达传感器，其中，所述的处理器适于利用不同的能在接收器中分离的脉冲波形或利用正交波形，同时激活所有Tx元件。
14.一种多输入多输出(MIMO)基的雷达传感器，包括：
第一复数个且只为发射(Tx)元件，其均匀间隔，并被布置在第一列和第二列中，所述的第二列与所述的第一列间隔第一距离；
第二复数个且只为接受(Rx)元件，其均匀间隔，并被布置在第一行和第二行中，所述的第二行与所述的第一行间隔第二距离；
所述的第一列与第二列以及所述的第一行与第二行形成物理的矩形天线阵列(A,B)；
一控制器，其在每一时隙可操作地从一单独的Tx元件进行发射，并在所有Rx元件接收反射，从而得到虚拟的矩形天线阵列，该阵列的尺寸大小是所述物理的矩形天线阵列的两倍；以及
其中，在每一时隙中，按任意的顺序选择用于发射的所述Tx元件。
15.根据权利要求14所述的雷达传感器，其中，每一列中Tx元件之间的间距是λ/2，λ是Tx元件所发射的雷达脉冲的波长。
16.根据权利要求14所述的雷达传感器，其中，Rx元件之间的间距为λ/2乘以每列中Tx元件数目。
17.根据权利要求14所述的雷达传感器，其中，通过在每一时隙逐一单独地激活所有Tx元件，从而在所有方向上增大孔径的有效尺寸。
18.根据权利要求14所述的雷达传感器，其中，Tx元件所发射的雷达脉冲的频率为至少77GHz。
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