CN112578353A - 测量目标角度的装置及方法、传感器和设备 - Google Patents

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CN112578353A CN202011442875.9A CN202011442875A CN112578353A CN 112578353 A CN112578353 A CN 112578353A CN 202011442875 A CN202011442875 A CN 202011442875A CN 112578353 A CN112578353 A CN 112578353A
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Abstract

本申请公开了测量目标角度的装置及方法、传感器和设备。该装置包括：发射天线阵列，具有至少两个发射天线以提供探测信号，各发射天线的间距为探测信号的半波长；接收天线阵列，其每个接收天线接收目标物体反射的回波信号，回波信号包括与各个发射天线分别对应的多组回波子信号的叠加，不同组回波子信号之间具有第一相位差；处理器，各组回波子信号获取多个DBF谱，根据多个DBF谱获得第一相位差，以获得入射角，各接收天线的间距大于探测信号的半波长。本公开提供的装置、方法、传感器和设备利用DBF谱的复数值谱峰获得表征入射角的第一相位差，避免了栅瓣对检测结果的干扰，可以增大接收天线之间的间距，提高雷达的角分辨率，避免天线件互扰等问题。

Description

测量目标角度的装置及方法、传感器和设备
本申请要求于2020年02月28日提交中国专利局、申请号为202010130884.8、发明名称为“雷达系统及其控制方法”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明涉及目标测量技术领域，更具体地，涉及一种测量目标角度的装置及方法、传感器和设备。
背景技术
在收发分离的多入多出(Multi Input Multi Output,MIMO)天线阵列的基础上，基于数字波束形成(Digital Beamforming,DBF)进行目标角度检测时，由于MIMO天线阵列中的接收天线一般是按照半波长等间距排列，会使得天线之间存在相互干扰，且半波长的间距还会限制天线的孔径(aperture)，导致DBF谱峰较宽，进而降低目标检测的角分辨率。
目前，业界一般是通过增加天线的个数，或者增大接收天线之间的间距来提升目标角度检测的角分辨率。
但是，通过增加天线的个数来提升角分辨率时，接收天线之间仍然会存在相互干扰，同时天线个数的增加还会大大增加系统的硬件成本；并且，若通过增大接收天线之间的间距来提升角分辨率，则需要将接收天线之间的间距设置为大于半波长的距离，这会使得单个目标物体的DBF谱内出现多个周期性的谱峰(即栅瓣，grating lobe)，从而无法分辨出目标真实的入射角度，即天线会出现指向模糊(ambiguity)的问题。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种测量目标角度的装置及方法、传感器和设备。
一方面，本公开提供了一种测量目标角度的装置，包括：发射天线阵列，具有至少两个发射天线以分别提供探测信号，相邻所述发射天线之间的间距为所述探测信号的半波长；接收天线阵列，具有多个接收天线，每个所述接收天线用于接收目标物体反射至该接收天线的回波信号，所述回波信号包括与各个所述发射天线分别对应的多组回波子信号的叠加，且不同组所述回波子信号之间具有表征所述发射天线阵列到所述目标物体的入射角的第一相位差；以及处理器，用于根据所述多个接收天线获得的各组所述回波子信号获取多个DBF谱，并根据所述多个DBF谱的复数值谱峰获得所述第一相位差，以获得所述入射角，其中，相邻所述接收天线之间的间距大于所述探测信号的半波长。
在一些可选的实施例中，在每个所述接收天线获得的所述回波信号中，不同组回波子信号所对应的探测信号之间具有互不交叠的脉冲区间，各个所述探测信号在其脉冲区间内提供调频连续波，所述半波长为所述调频连续波在所述脉冲区间内的中心频率所对应的波长的一半。
在一些可选的实施例中，相邻所述接收天线之间的间距为所述半波长的整数倍，且所述多个接收天线等间距排列。
在一些可选的实施例中，所述处理器包括：混频模块，用于利用所述探测信号对每个所述回波信号进行混频处理，以获得多个中频信号，所述多个中频信号分别与该所述回波信号中的各组回波子信号对应；变换模块，用于分别对各个所述中频信号进行二维快速傅里叶变换处理以获得相应的第一信号，分别对各个所述第一信号进行恒虚警率搜索以获得相应的第二信号，并根据由各个所述回波信号获得的多个所述第二信号生成多个复向量，不同所述复向量分别与不同发射天线提供的探测信号对应；数字波束形成模块，用于根据各所述复向量获得相应的所述DBF谱；以及处理模块，用于根据各所述DBF谱的复数值谱峰对应的扫描角度获得所述第一相位差。
在一些可选的实施例中，所述恒虚警率模块获得的每个所述第二信号表征所述目标物体在二维快速傅里叶变换平面内对应的峰值的距离坐标和速度坐标，所述二维快速傅里叶变换平面由该所述第二信号对应的所述第一信号确定，所述变换模块获得的每个所述复向量表征该复向量对应的各组所述回波子信号在所述距离坐标和所述速度坐标处的复数值，与该复向量对应的各组所述回波子信号响应于该复向量对应的所述探测信号。
在一些可选的实施例中，所述处理模块还用于根据所述第一相位差确定的区间以及所述扫描角度获得所述入射角，和/或根据所述第一相位差与所述半波长计算获得所述入射角。
第二方面，本公开提供了一种测量目标角度的方法，包括：采用发射天线阵列辐射至少两个探测信号；采用多个接收天线分别接收相应的回波信号，每个所述接收天线接收目标物体反射至该接收天线的所述回波信号，所述回波信号包括与各个所述探测信号分别对应的多组回波子信号的叠加，且不同组所述回波子信号之间具有表征所述发射天线阵列到所述目标物体的入射角的第一相位差；根据所述多个接收天线获得的各组所述回波子信号获取多个DBF谱，并根据所述多个DBF谱的复数值谱峰获得所述第一相位差；以及根据所述第一相位差获得所述入射角，其中，相邻所述接收天线之间的间距大于所述探测信号的半波长。
在一些可选的实施例中，采用发射天线阵列辐射所述至少两个探测信号的步骤包括：采用发射天线阵列中的不同发射天线分别辐射相应的所述探测信号，且各个所述探测信号之间具有互不交叠的脉冲区间，各个所述探测信号在其脉冲区间内提供调频连续波，所述半波长为所述调频连续波在所述脉冲区间内的中心频率所对应的波长的一半，相邻的所述发射天线之间的间距为所述半波长。
在一些可选的实施例中，相邻所述接收天线之间的间距为所述半波长的整数倍，且所述多个接收天线等间距排列。
在一些可选的实施例中，根据所述多个接收天线获得的各组所述回波子信号获取多个DBF谱，并根据所述多个DBF谱的复数值谱峰获得所述第一相位差的步骤包括：利用所述至少两个探测信号对每个所述回波信号进行混频处理，以获得多个中频信号，所述多个中频信号分别与该所述回波信号中的各组回波子信号对应；分别对各个所述中频信号进行二维快速傅里叶变换处理，以获得相应的第一信号；分别对各个所述第一信号进行恒虚警率搜索，以获得相应的第二信号；根据由各个所述回波信号获得的多个所述第二信号生成多个复向量，不同所述复向量分别与不同的所述探测信号对应；根据每个所述复向量获得相应的所述DBF谱；以及根据各所述DBF谱的复数值谱峰对应的扫描角度获得所述第一相位差。
在一些可选的实施例中，每个所述第二信号表征所述目标物体在二维快速傅里叶变换平面内对应的峰值的距离坐标和速度坐标，所述二维快速傅里叶变换平面由该所述第二信号对应的所述第一信号确定，每个所述复向量表征该复向量对应的各组所述回波子信号在所述距离坐标和所述速度坐标处的复数值，与该复向量对应的各组所述回波子信号响应于该复向量对应的所述探测信号。
在一些可选的实施例中，根据所述第一相位差获得所述入射角的步骤包括：根据所述第一相位差确定的区间以及所述扫描角度获得所述入射角；和/或根据所述第一相位差与所述半波长之商计算获得所述入射角。
在一些可选的实施例中，根据所述第一相位差确定的区间以及所述扫描角度获得所述入射角的步骤包括：确定所述第一相位差所在的所述区间的下限值(n-1)π/N，其中n选自大于等于-N+1且小于等于N的整数，相邻所述接收天线之间的间距为所述探测信号的半波长的N倍，所述第一相位差大于所述下限值且小于等于nπ/N；根据公式θ0＝arcsin(sin(θP)+(n-1)/N)获得所述入射角，其中，θ0表示所述入射角，θP表示所述扫描角度。
第三方面，本公开实施例还提供了一种测量目标角度的装置，包括：至少两个发射天线，用于错时发射探测信号；接收天线，用于接收回波信号；以及与所述接收天线连接的处理器，用于对所述回波信号进行信号处理；其中，所述回波信号包括与所述发射天线一一对应的至少两组回波子信号；所述处理器还用于根据不同组所述回波子信号之间的DBF谱峰相位差得到所述目标角度。
在一些可选的实施例中，所述接收天线的个数为至少两个，所述接收天线等间距分布且相邻所述接收天线之间的间距大于半波长；以及
相邻所述发射天线之间的间距为所述半波长；其中，所述半波长为所述探测信号波长的一半。
在一些可选的实施例中，相邻所述接收天线之间的间距为所述半波长的整数倍。
在一些可选的实施例中，在沿垂直于辐射中心线方向上，所述发射天线和所述接收天线等间距分布；其中，各所述发射天线的辐射中心，沿垂直于辐射中心线方向分布于至少两条直线上；和/或各所述接收天线的辐射中心，沿垂直于辐射中心线方向分布于至少两条的直线上。
在一些可选的实施例中，所述探测信号包括至少一帧信号，各所述帧信号包括至少两个信号单元；其中，各所述发射天线错时依序交替发射所述信号单元，或者，各所述发射天线错时依序发射至少一所述帧信号。
在一些可选的实施例中，所述探测信号为调频连续波时，所述半波长为所述探测信号的中心频率所对应波长的一半。
在一些可选的实施例中，不同发射天线所发射所述探测信号之间的波形相异。
在一些可选的实施例中，所述信号单元为啁啾信号，以及不同所述发射天线所发射所述探测信号的所述啁啾信号之间的波形相异，中心频率相同。
在一些可选的实施例中，所述处理器包括依次连接的混频模块、二维快速傅里叶变换模块、恒虚警率模块和数字波束形成模块，用于对所述回波信号依次进行降频、二维快速傅里叶变换、恒虚警率搜索和数字波束形成处理以得到DBF谱；其中，所述装置还包括处理模块，用于根据不同组所述回波子信号对应的所述DBF谱计算出所述DBF谱峰相位差，并得到所述目标角度。
在一些可选的实施例中，所述处理装置基于相邻所述接收天线之间的间距与所述半波长之间的比值，以及各组所述回波子信号所对应的DBF谱峰扫描角度来得到所述目标角度。
第四方面，本公开实施例提供了一种传感器，包括本公开任一实施例所述的装置，用于测量目标的角度、速度和/或距离。
在一些可选的实施例中，所述调频连续波信号为毫米波信号，和/或所述测量目标角度的装置为AiP芯片。
第五方面，本公开实施例提供了一种设备，包括设备本体和设置于所述设备本体上的电子器件；其中，所述电子器件为本公开任一实施例所述的传感器，用于进行目标检测或通信。
本发明提供的用于测量目标角度的装置及方法、传感器和设备，可以利用不同的探测信号获取多个DBF谱，并通过不同DBF谱的复数值谱峰之间的差异获得经混频处理之后的多个回波之间的相位差，经混频处理之后的多个回波之间的相位差表征由不同发射天线的位置不同而带来的相位差，通过该相位差即可获得目标物体的角度。在该雷达系统及其控制方法中，各个接收天线的距离不再受到λ/2的限制，不仅提高了雷达的角分辨率，并且避免了天线之间干扰、栅瓣、副瓣等问题，同时避免了成本上升的问题。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1a示出了雷达系统的接收天线间距为λ/2时的DBF谱；
图1b示出了雷达系统的接收天线间距为3λ/2时的DBF谱；
图2示出了根据本发明实施例的雷达系统的框图；
图3a示出了根据本发明第一实施例的发射天线和接收天线的示意图；
图3b示出了根据本发明第二实施例的发射天线和接收天线的示意图；
图4示出了根据本发明实施例的发射天线和接收天线的信号路径示意图；
图5a示出了根据本发明第一实施例的探测信号和各接收天线获得的回波信号的频率变化示意图；
图5b示出了根据本发明第二实施例的探测信号和各接收天线获得的回波信号的频率变化示意图；
图6示出了根据本发明实施例对各回波信号进行二维快速傅里叶变换处理的示意图；
图7示出了根据本发明实施例的处理器的示意性框图；
图8a和8b分别示出了根据本发明实施例的雷达系统的DBF谱；
图9示出了根据本发明实施例的雷达系统的控制方法的流程示意图；
图10示出了根据本发明实施例的获得入射角的方法流程示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。
在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
在申请中，术语“DBF谱”是指将接收天线获得的回波进行数字波束形成(DigitalBeamforming,DBF)处理获得的曲线图，其横坐标为扫描角度，纵坐标为经过处理后的信号幅值，其曲线谱峰对应的横坐标表征。
术语“复数值谱峰”是指将接收天线获得的回波进行二维快速傅里叶变换(2dimensional Fast Fourier Transform,2D-FFT)获得的复数值在DBF谱上对应的谱峰。
应理解，本申请实施例中的A与B连接/耦接，表示A与B可以串联连接或并联连接，或者A与B通过其他的器件，本申请实施例对此不作限定。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
在雷达系统中，角分辨率是指可分辨的两个目标物体的最小角度差，其表征的是雷达系统区分切向目标的能力，直接影响到雷达的指向精度。雷达的角分辨率与雷达的波长成反比，与天线的孔径成正比。
对于收发天线分离的多入多出(Multi Input Multi Output,MIMO)雷达，例如应用于汽车等领域的毫米波雷达，为了测量目标物体的角度，通常采用数字波束形成(Digital Beamforming,DBF)方式对接收天线获得的信号进行角度扫描得到DBF谱，谱峰对应的扫描角度，即为目标的角度。
当接收天线等间距排布时，通常将接收天线间距设置为半波长(λ/2)，然而半波长限制了天线的孔径(aperture)，导致其DBF谱较宽，如图1a所示，峰值的精确度不高，从而降低了雷达系统的角分辨率。在一些技术中，可以通过增加天线个数来增大孔径，然而天线个数的增加会大大增加系统的硬件成本。此外，当接收天线间距仅为半波长时，会存在天线之间的相互干扰，影响测角准确性。在另外一些技术中，将接收天线间距设置为大于半波长(例如Nλ/2，N>1)，在这种情况下，单个目标物体的DBF谱内会出现N个周期性的谱峰(即栅瓣，grating lobe)，如图1b所示，从而目标的真实入射角度不容易被识别，即天线出现了指向模糊(ambiguity)的问题。
综合上述因素，为了提高MIMO雷达的角分辨率，现有技术的雷达系统提出以下两种方式的天线排布：(1)虚拟阵列：接收天线间隔半波长排布，使用间距为实际接收天线孔径的多个发射天线，虚拟出多组接收天线，等效地增大接收天线孔径；(2)非等间距：将接收天线间距拉大，且天线间距不等，以避免出现周期性的栅瓣。然而，现有的雷达系统至少存在以下不足之处：在虚拟阵列的天线排布中，当接收天线间距为半波长时，仍存在天线之间的相互干扰；在非等间距的天线排布中，副瓣较高，从而容易被误判断为目标物体。
因此，期待能够提供一种新的雷达系统，从而能在提高角分辨率的同时，尽可能避免天线之间的相互干扰以及栅瓣、副瓣带来的不利影响，并且将硬件成本控制在合理范围之内。
图2示出了根据本发明实施例的雷达系统的框图。该雷达系统为一种用于测量目标角度的装置的示例。
如图2所示，本发明实施例的雷达系统100包括射频芯片110、发射天线阵列120、接收天线阵列130以及处理器140。
射频芯片110用于生成至少两个探测信号，在本发明实施例中，探测信号是射频信号，例如，射频芯片110中包括毫米波发生器、功率放大器等元器件，以对毫米波进行调制和功率放大，从而生成射频信号。
作为一种示例，射频芯片110具有至少两个输出端子，以向发射天线阵列120提供具有不同相位的探测信号。例如，可以在功率放大器的输出端配置移相器，以对功率放大器提供的射频输出信号进行移位，功率放大器的输出端和移相器的输出端分别作为射频芯片110的两个输出端子，两个输出端子分别提供具有不同相位的两个探测信号。
在另外一些可选的实施例中，射频芯片110具有至少两个输出端子，以在不同时间段分别向发射天线阵列120中不同的发射天线提供探测信号。
发射天线阵列120连接至射频芯片110，其具有至少两个发射天线121，每个发射天线121适于辐射探测信号，各个发射天线121辐射的各个探测信号之间具有初始相差。作为一个示例，两个发射天线121之间的间距为λ/2，其中，λ为探测信号的波长，两个发射天线121交替辐射脉冲信号，从而两个探测信号之间具有初始相差。可选的，发射天线121的数量为多个，多个发射天线121等间距分布，并且相邻两个发射天线121之间的间距均为λ/2。
接收天线阵列130具有多个接收天线131，用于接收探测信号经由目标物体反射所形成的回波信号。由于多个发射天线辐射的发射信号能够经目标物体反射形成多个回波，因此每个接收天线接收到的回波信号包括分别与多个发射天线对应的多组回波子信号，即，在本发明实施例中，每个接收天线131接收的回波信号所包括的回波子信号的组数与发射天线的数量相对应。由于发射天线阵列120具有至少两个发射天线121，因此接收天线阵列130中的每个接收天线接收到的回波信号至少包括两组回波子信号，并且各组回波子信号之间具有相位差，该相位差由发射天线121的位置和不同探测信号之间的初始相差决定。
作为一个示例，多个接收天线131等间距分布，并且相邻两个接收天线131之间的间距均为N·λ/2，其中，N为大于1的实数。在一些可选的实施例中，N为大于1的自然数。
处理器140连接至接收天线阵列130，用于对接收天线阵列130获得的回波信号进行处理，以获得与不同探测信号相对应的至少两个DBF谱，从而获得目标物体的角度。在本发明实施例中，在每个接收天线获得多组回波子信号之后，可以对回波信号和探测信号进行混频处理；在混频处理之后，回波信号中的各组回波子信号之间的由不同探测信号导致的相位差被相互抵消，因此混频处理之后的各组回波子信号之间的相位差(即第一相位差)仅由发射天线121的位置决定，并且该相位差会保留在多个DBF谱的相同位置的复数值谱峰中，因此，根据该相位差可以计算该谱峰对应的目标物体的真实角度。可选的，处理器140还用于计算目标物体与雷达系统100之间的距离。
下面将对本申请提供的发射天线阵列120、接收天线阵列130以及处理器140进行详细说明。
图3a示出了根据本发明第一实施例的发射天线阵列和接收天线阵列的示意图；图3b示出了根据本发明第二实施例的发射天线阵列和接收天线阵列的示意图。
作为一种示例，如图3a所示，发射天线阵列具有至少两个发射天线，例如包括发射天线Tx1和发射天线Tx2，发射天线Tx1和发射天线Tx2之间的间距为λ/2，其中，λ为探测信号的波长。可选的，发射天线的数量为多个，多个发射天线等间距分布，并且每两个相邻的发射天线之间的间距均为λ/2。
接收天线阵列具有多个接收天线，例如包括接收天线Rx1至Rx4，接收天线Rx1至Rx4等间距分布，并且每两个相邻的接收天线之间的间距d均为N·λ/2，其中，N为正整数且N>1。在另外一些可选的实施例中，N可以为大于1的小数。
类似的，作为另一示例，如图3b所示，发射天线阵列具有至少两个发射天线，接收天线阵列具有多个接收天线，其具体排布方式与图3a大致相同，在此不再赘述其相同之处。在该示例中，与图3a不同的是，发射天线Tx1和发射天线Tx2在沿长度方向上交错分布，和/或接收天线Rx1至Rx4在沿长度方向上交错分布，因此可以测得目标物体的俯仰角。
在一些实施例中，在沿垂直于辐射中心线方向上，发射天线和接收天线可以等间距分布。其中，各发射天线的辐射中心和/或各接收天线的辐射中心沿垂直于辐射中心线方向分布于至少两条直线上。
在一些实施例中，探测信号包括至少一帧信号，各帧信号包括至少两个信号单元，各发射天线错时依序交替发射信号单元，或者，各所述发射天线错时依序发射至少一帧信号。在一些实施例中，信号单元为啁啾信号，不同发射天线所发射的探测信号的啁啾信号之间的波形相异且中心频率相同。
在一些实施例中，若探测信号为调频连续波(例如线性调频连续波)，半波长λ/2为探测信号的中心频率所对应波长的一半。
在一些实施例中，不同发射天线所发射探测信号之间的波形相异。
图4示出了根据本发明实施例的发射天线阵列和接收天线阵列的信号路径示意图。在图4中，将发射天线阵列中的发射天线和接收天线阵列中的接收天线简化为点模型，采用箭头方向指示探测信号和回波信号的路径。图4示意性的示出了具有两个发射天线的发射天线阵列和具有四个接收天线的接收天线阵列，应理解，本申请不以此限制发射天线和接收天线的数量。
在传统的天线设计中，第一发射天线与第二发射天线辐射相同的探测信号，且两者之间的间距为λ/2，从而第一探测信号和第二探测信号之间的相位差为(λ/2)·sinθ，其中，λ为探测信号的波长，θ为目标物体分别与第一发射天线与第二发射天线的两条连线之间的夹角。在理想状态下，接收天线接收到与第一探测信号和第二探测信号相应的两组回波子信号之后，检测两组回波子信号之间的相位差
Figure BDA0002823026790000113
利用
Figure BDA0002823026790000112
即可计算得到θ。然而，传统的检测相位差
Figure BDA0002823026790000114
的方法往往具有一定误差，因此该方法测得的θ具有较大误差，为此，传统设计提出了利用检测DBF谱来提升测θ的准确度，即提高了雷达的角分辨率，却同时带来了天线之间干扰、栅瓣、副瓣等问题。
本申请实施例可以利用不同的探测信号获取多个DBF谱，并通过不同DBF谱的复数值谱峰之间的差异获得经混频处理之后的多组回波子信号之间的相位差
Figure BDA0002823026790000115
经混频处理之后的多组回波子信号之间的相位差
Figure BDA0002823026790000116
表征由不同发射天线的位置不同而带来的相位差，通过该相位差即可获得目标物体的角度。在该方法中，各个接收天线的距离不再受到λ/2的限制，不仅提高了雷达的角分辨率，并且避免了天线之间干扰、栅瓣、副瓣等问题，同时避免了成本上升的问题。
在本发明实施例中，第一发射天线Tx1与第二发射天线Tx2分别辐射第一探测信号STx1和第二探测信号STx2，第一探测信号STx1和第二探测信号STx2具有不同相位。各个接收天线Rx1至Rx4分别接收第一探测信号STx1和第二探测信号STx2经由目标物体反射回的第一组回波子信号SRx1和第二组回波子信号SRx2，第一组回波子信号SRx1和第二组回波子信号SRx2之间的相位差包括由第一发射天线Tx1与第二发射天线Tx2的位置差异带来相位差和由第一探测信号STx1和第二探测信号STx2之间的初始相差带来相位差。其中，由第一发射天线Tx1与第二发射天线Tx2的位置差异带来的第一组回波子信号SRx1和第二组回波子信号SRx2之间的相位差表征目标物体的角度与第一探测信号STx1和第二探测信号STx2的波长之间的关系，根据初始相差带来的第一组回波子信号SRx1和第二组回波子信号SRx2之间的相位差可以获得具有表征相位差的复数值谱峰的不同DBF谱。
如下文所述，将对第一组回波子信号SRx1和第二组回波子信号SRx2与第一探测信号STx1和第二探测信号STx2进行混频处理，该步骤可以抵消初始相差带来的相位差，因此，最终获得的不同DBF谱的复数值谱峰表征发射天线位置带来的相位差(即第一相位差，其表征发射天线阵列到目标物体的入射角)。
图5a示出了根据本发明第一实施例的发射信号和各接收天线获得的回波信号的频率变化示意图；图5b示出了根据本发明第二实施例的发射信号和各接收天线获得的回波信号的频率变化示意图。
如图5a所示，第一探测信号STx1和第二探测信号STx2例如分别为调频连续波(图中以线性调频连续波为例)。其中，第一探测信号STx1可以包括多个相互间隔的第一啁啾，且在每个第一啁啾期间提供频率变化的A组信号，在相邻的第一啁啾之间可以提供定频信号或不提供辐射信号；第二探测信号STx2可以包括多个相互间隔的第二啁啾，且在每个第二啁啾期间提供频率变化的B组信号，在相邻的第二啁啾之间可以提供定频信号或不提供辐射信号。根据本公开实施例，如图5a所示，第一探测信号STx1和第二探测信号STx2分别由第一发射天线和第二发射天线向外部辐射，第一探测信号STx1的第一啁啾和第二探测信号STx2的第二啁啾交替发射，第一至第四接收天线接收到相应的信号，即各个接收天线分别接收到第一探测信号STx1经由目标物体反射所形成的一组回波子信号(与A组信号对应)以及第二探测信号STx2经由目标物体反射所形成的另一组回波子信号(与B组信号对应)。如图5b所示，第一探测信号STx1为在第一时间段T1内发射的脉冲信号，第二探测信号STx2为在第二时间段T2内发射的脉冲信号，第一探测信号STx1和第二探测信号STx2分别由第一发射天线和第二发射天线向外部辐射，第一至第四接收天线接收到相应的脉冲信号，即各个接收天线分别在第一时间段T1内接收到第一探测信号STx1经由目标物体反射所形成的一组回波子信号，在第二时间段T2内接收到第二探测信号STx2经由目标物体反射所形成的另一组回波子信号。
应当理解的是，在该实施例中，仅示意性的示出了两种第一探测信号STx1和第二探测信号STx2的形式。在另外一些实施例中，第一探测信号STx1和第二探测信号STx2还可以是交替发射的脉冲信号，在每个交替发射的时间内，第一探测信号STx1或第二探测信号STx2发送多个脉冲信号。
图6示出了根据本发明实施例的对回波进行二维快速傅里叶变换处理的示意图；图7示出了根据本发明实施例的处理器的结构示意图；图8a和8b分别示出了根据本发明实施例的雷达系统的DBF谱的示意图。
在对回波信号进行二维快速傅里叶变换处理之前，处理器中的混频模块(未示出)对接收天线阵列的回波信号与发射天线阵列的探测信号进行混频处理，并进行低通滤波处理，以得到中频信号，该步骤可以抵消由不同探测信号之间的初始相差带来的回波信号之间的相位差。混频处理和低通滤波处理可采用常规手段进行，在本申请中不再进行详细叙述。
对于同一接收天线，例如第一接收天线Rx1，对于某一目标物体，当第一发射天线Tx1辐射探测信号时，第一接收天线Rx1获得的回波信号与第一发射天线Tx1的探测信号经过混频、低通滤波，输出的中频信号可表达为：
Figure BDA0002823026790000141
当第二发射天线Tx2辐射探测信号时，第一接收天线Rx1获得的回波信号与第二发射天线Tx2的探测信号经过混频、低通滤波，输出中频信号可表达为：
Figure BDA0002823026790000142
由于混频处理，R1A(t)和R1B(t)的相位差仅由第一发射天线Tx1和第二发射天线Tx2的位置引起的(与第一发射天线Tx1和第二发射天线Tx2的探测信号的初始相差无关)，即R1A(t)和R1B(t)的相位差(即第一相位差)为：
Figure BDA0002823026790000143
其中，θ0为目标物体的入射角。
如图6所示，在获得中频信号之后，二维快速傅里叶变换模块141对中频信号进行二维快速傅里叶变换处理，以获得与第一探测信号对应的FFTAi信号和与第二探测信号对应的FFTBi信号，其中，i＝1,2,3,4。
如图7所示，处理器还包括二维快速傅里叶变换模块141、恒虚警率模块142、数字波束形成模块143和处理模块144。
二维快速傅里叶变换模块141适于对中频信号进行二维快速傅里叶变换处理，以获得与第一探测信号对应的FFTAi信号和与第二探测信号对应的FFTBi信号。恒虚警率模块142适于对FFTAi信号和FFTBi信号进行恒虚警率搜索，以获得复向量FFT_vecA和FFT_vecB。数字波束形成模块143适于根据FFTAi信号和FFTBi信号以及复向量FFT_vecA和FFT_vecB获得A组DBF谱和B组DBF谱。处理模块144适于对DBF谱进行扫描，以确定峰值PA、PB之间的相位差(即第二相位差)
Figure BDA0002823026790000144
所在区间，从而获得目标物体的入射角。在本发明实施例中，第二相位差与第一相位差相等，从而可以通过计算第二相位差获得第一相位差，以进一步计算目标物体的入射角。
具体的，在二维快速傅里叶变换模块141获得FFTAi信号和FFTBi信号之后，恒虚警率模块142对FFTAi信号和FFTBi信号进行恒虚警率(Constant False Alarm Rate,CFAR)搜索峰值，以获得目标物体在2D-FFT平面内对应的峰值的距离和速度坐标(r,v)，二维快速傅里叶变换模块141根据(r,v)坐标得到两个复向量：
FFT_vecA＝[FFT(r,v,A,1),FFT(r,v,A,2),FFT(r,v,A,3),FFT(r,v,A,4)] (式4)
FFT_vecB＝[FFT(r,v,B,1),FFT(r,v,B,2),FFT(r,v,B,3),FFT(r,v,B,4)] (式5)
其中，向量FFT_vecA中元素FFT(r,v,A,i)表示接收天线阵列Rxi接收A组回波得到的2D-FFT平面上坐标(r,v)处的复数值，向量FFT_vecB中元素FFT(r,v,B,i)表示接收天线阵列Rxi接收B组回波得到的2D-FFT平面上坐标(r,v)处的复数值。
根据FFT线性运算的特征，复数FFT(r,v,A,1)与FFT(r,v,B,1)的相位差与中频信号R1A(t)和R1B(t)的相位差一致，即：
arg[FFT(r,v,A,i)*conj(FFT(r,v,B,i))]＝λ/2*sinθ0 (式6)
其中，arg[]表示取复数值的相位值，conj()表示对复数取共轭(conjugate)，i＝1,2,3,4。
数字波束形成模块143令导向矢量(steering vector)为：Steer_vec＝[1,exp(jπN*sin(θ)),exp(jπ2N*sin(θ)),exp(jπ3N*sin(θ))]，其中，θ为扫描角度变量，N为天线间距(d)与半波长(λ/2)的比值，N＝d/(λ/2)。
令函数：
ScanA(θ)＝Steer_vec*(FFT_vecA)H (式7)
ScanB(θ)＝Steer_vec*(FFT_vecB)H (式8)
其中，H表示共轭转置(conjugate and transpose)。
数字波束形成模块143使θ在[-π/2…π/2]内扫描，并对计算得到的ScanA(θ)和ScanB(θ)取模，得到A、B两组DBF谱，A组DBF谱和B组DBF谱分别与A组回波子信号和B组回波子信号相对应，如图8a和8b所示。
根据等间距接收天线DBF谱的性质，当相邻接收天线间距和探测信号的半波长比值为N时，则DBF谱周期重复数为N(如图8a和8b所示)，因此，为避免重复扫描，处理模块144只需在sinθ∈[-1/N,1/N]，即θ∈[arcsin(-1/N),arcsin(1/N)]范围内扫描峰值即可。
处理模块144令A、B两个DBF谱搜索得到的峰值PA、PB对应的扫描角度为θP，即PA＝|ScanA(θP)|，PB＝|ScanB(θP)|,“||”表示对复数取模，令
Figure BDA0002823026790000161
根据(式4)至(式8)可得：
Figure BDA0002823026790000163
为了利用DBF谱提高估计精度，处理模块144先确定
Figure BDA0002823026790000164
所在区间((n-1)π/N,nπ/N]，n＝-N+1,…,-1,0,1,2,…,N，再得到最终估计目标物体的入射角为：
θ0＝arcsin(sin(θP)+(n-1)/N) (式4.10)
综上所述，处理器最终通过A、B组回波子信号获得了A、B两组DBF谱，并根据A、B两组DBF谱的复数值谱峰获得了目标物体的入射角。
上文描述了本发明实施例的处理器的一些示例，然而本发明实施例不限于此，还可能存在其他方式的扩展和变形。
例如，在图8a和8b中示意性的示出了相邻接收天线间距为3倍半波长时获得的DBF谱，不应理解为对本申请的相邻接收天线间距的限制。
应当理解，该实施例中的各个功能模块可以集成在一个处理器中，也可以是各个模块单独存在，也可以是两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块可以采用硬件或软件的形式实现。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的结构和方法，可以使用不同的配置方法或调节方法对每个结构或该结构的合理变形来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。并且，应理解，本申请实施例中前述的图的处理装置各个部件之间的连接关系为示意性举例，并不对本申请实施例造成任何限制。
图9示出了根据本发明实施例的雷达系统的控制方法的流程示意图；图10示出了根据本发明实施例的获得入射角的方法流程示意图。
在步骤S101中，采用发射天线阵列辐射至少两个探测信号。可选的，各个探测信号之间具有初始相差。
在步骤S102中，采用多个接收天线分别接收探测信号经由目标物体反射的多个回波，各个回波与各个探测信号相对应，各个回波之间具有表征发射天线阵列到目标物体的入射角的第一相位差。其中，相邻接收天线之间的间距大于探测信号的半波长。
在步骤S103中，根据多个接收天线的多个回波获取多个DBF谱，并根据多个DBF谱的复数值谱峰获得第一相位差，以获得入射角。
在该步骤中，获得入射角的方法包括：步骤S1031：对多个回波与探测信号进行混频处理，以获得多个中频信号。步骤S1032：将多个中频信号分别进行二维快速傅里叶变换处理，以获得多个第一信号。步骤S1033：对多个第一信号进行搜索，以获得多个第二信号，并将第二信号转换为复向量。步骤S1034：根据多个第一信号和多个复向量获得多个DBF谱。步骤S1035：根据多个DBF谱计算入射角。
可选的，获得多个第二信号的方法包括：对多个第一信号进行搜索以获得多个第二信号，多个第二信号表征目标物体在二维快速傅里叶变换平面内对应的峰值的距离坐标和速度坐标；根据多个第二信号获得多个复向量，多个复向量分别表征多个回波在距离坐标和速度坐标处的复数值。
可选的，多个DBF谱计算入射角的方法包括：分别获得多个DBF谱的峰值对应的扫描角度，根据扫描角度确定多个DBF谱的复数值谱峰之间的第二相位差所在的区间，并根据扫描角度和区间获得入射角，其中，第二相位差与第一相位差相等。
更具体的，相邻接收天线之间的间距为探测信号的半波长的N倍，入射角的计算公式为：θ0＝arcsin(sin(θP)+(n-1)/N)，其中，θ0表示入射角，θP表示扫描角度，(n-1)/N表示区间的下限值的1/π倍。
本公开还进一步提供了一种传感器，包括根据本发明实施例提供的任一种用于测量目标角度、速度和/或距离的装置(例如由AiP(Antenna-in-Package，封装天线)芯片实现)和/或包括用于实现本公开实施例提供任一种方法的装置。
此外，本申请实施例还提供了一种设备，可包括设备本体和设置于所述设备本体上的电子器件；其中，所述设备本体可为交通工具(如各种类型的汽车、滑板车、平衡车、自行车、船舶、地铁、火车、高铁等)、智能设备(如手机、空调、拐杖、摄像头等)、安防设备(如地铁安检、机场安检等)、交通辅助设备(如道闸)、工业自动化设备及各种照明设备等，所述电子器件可包括本申请上述任一实施例中所记载的电子装置等，以基于目标的距离、角度、运动速度、温度及图像等参数检测进行目标检测、防碰撞、目标跟踪等操作，也可进行通信信号的等发收操作。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (26)

1.一种测量目标角度的装置，其特征在于，包括：
发射天线阵列，具有至少两个发射天线以分别提供探测信号，相邻所述发射天线之间的间距为所述探测信号的半波长；
接收天线阵列，具有多个接收天线，每个所述接收天线用于接收目标物体反射至该接收天线的回波信号，所述回波信号包括与各个所述发射天线分别对应的多组回波子信号的叠加，且不同组所述回波子信号之间具有表征所述发射天线阵列到所述目标物体的入射角的第一相位差；以及
处理器，用于根据所述多个接收天线获得的各组所述回波子信号获取多个DBF谱，并根据所述多个DBF谱的复数值谱峰获得所述第一相位差，以获得所述入射角，
其中，相邻所述接收天线之间的间距大于所述探测信号的半波长。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在每个所述接收天线获得的所述回波信号中，不同组回波子信号所对应的探测信号之间具有互不交叠的脉冲区间，各个所述探测信号在其脉冲区间内提供调频连续波，所述半波长为所述调频连续波在所述脉冲区间内的中心频率所对应的波长的一半。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，相邻所述接收天线之间的间距为所述半波长的整数倍，且所述多个接收天线等间距排列。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理器包括：
混频模块，用于利用所述探测信号对每个所述回波信号进行混频处理，以获得多个中频信号，所述多个中频信号分别与该所述回波信号中的各组回波子信号对应；
变换模块，用于分别对各个所述中频信号进行二维快速傅里叶变换处理以获得相应的第一信号，分别对各个所述第一信号进行恒虚警率搜索以获得相应的第二信号，并根据由各个所述回波信号获得的多个所述第二信号生成多个复向量，不同所述复向量分别与不同发射天线提供的探测信号对应；
数字波束形成模块，用于根据各所述复向量获得相应的所述DBF谱；以及
处理模块，用于根据各所述DBF谱的复数值谱峰对应的扫描角度获得所述第一相位差。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，
所述恒虚警率模块获得的每个所述第二信号表征所述目标物体在二维快速傅里叶变换平面内对应的峰值的距离坐标和速度坐标，所述二维快速傅里叶变换平面由该所述第二信号对应的所述第一信号确定，
所述变换模块获得的每个所述复向量表征该复向量对应的各组所述回波子信号在所述距离坐标和所述速度坐标处的复数值，与该复向量对应的各组所述回波子信号响应于该复向量对应的所述探测信号。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述处理模块还用于根据所述第一相位差确定的区间以及所述扫描角度获得所述入射角，和/或根据所述第一相位差与所述半波长计算获得所述入射角。
7.一种测量目标角度的方法，其特征在于，包括：
采用发射天线阵列辐射至少两个探测信号；
采用多个接收天线分别接收相应的回波信号，每个所述接收天线接收目标物体反射至该接收天线的所述回波信号，所述回波信号包括与各个所述探测信号分别对应的多组回波子信号的叠加，且不同组所述回波子信号之间具有表征所述发射天线阵列到所述目标物体的入射角的第一相位差；
根据所述多个接收天线获得的各组所述回波子信号获取多个DBF谱，并根据所述多个DBF谱的复数值谱峰获得所述第一相位差；以及
根据所述第一相位差获得所述入射角，
其中，相邻所述接收天线之间的间距大于所述探测信号的半波长。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，采用发射天线阵列辐射所述至少两个探测信号的步骤包括：
采用发射天线阵列中的不同发射天线分别辐射相应的所述探测信号，且各个所述探测信号之间具有互不交叠的脉冲区间，各个所述探测信号在其脉冲区间内提供调频连续波，所述半波长为所述调频连续波在所述脉冲区间内的中心频率所对应的波长的一半，相邻的所述发射天线之间的间距为所述半波长。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，相邻所述接收天线之间的间距为所述半波长的整数倍，且所述多个接收天线等间距排列。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根据所述多个接收天线获得的各组所述回波子信号获取多个DBF谱，并根据所述多个DBF谱的复数值谱峰获得所述第一相位差的步骤包括：
利用所述至少两个探测信号对每个所述回波信号进行混频处理，以获得多个中频信号，所述多个中频信号分别与该所述回波信号中的各组回波子信号对应；
分别对各个所述中频信号进行二维快速傅里叶变换处理，以获得相应的第一信号；
分别对各个所述第一信号进行恒虚警率搜索，以获得相应的第二信号；
根据由各个所述回波信号获得的多个所述第二信号生成多个复向量，不同所述复向量分别与不同的所述探测信号对应；
根据每个所述复向量获得相应的所述DBF谱；以及
根据各所述DBF谱的复数值谱峰对应的扫描角度获得所述第一相位差。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，每个所述第二信号表征所述目标物体在二维快速傅里叶变换平面内对应的峰值的距离坐标和速度坐标，所述二维快速傅里叶变换平面由该所述第二信号对应的所述第一信号确定，
每个所述复向量表征该复向量对应的各组所述回波子信号在所述距离坐标和所述速度坐标处的复数值，与该复向量对应的各组所述回波子信号响应于该复向量对应的所述探测信号。
12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根据所述第一相位差获得所述入射角的步骤包括：
根据所述第一相位差确定的区间以及所述扫描角度获得所述入射角；和/或
根据所述第一相位差与所述半波长之商计算获得所述入射角。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，根据所述第一相位差确定的区间以及所述扫描角度获得所述入射角的步骤包括：
确定所述第一相位差所在的所述区间的下限值(n-1)π/N，其中n选自大于等于-N+1且小于等于N的整数，相邻所述接收天线之间的间距为所述探测信号的半波长的N倍，所述第一相位差大于所述下限值且小于等于nπ/N；
根据公式θ0＝arcsin(sin(θP)+(n-1)/N)获得所述入射角，其中，θ0表示所述入射角，θP表示所述扫描角度。
14.一种测量目标角度的装置，其特征在于，包括：
至少两个发射天线，用于错时发射探测信号；
接收天线，用于接收回波信号；以及
与所述接收天线连接的处理器，用于对所述回波信号进行信号处理；
其中，所述回波信号包括与所述发射天线一一对应的至少两组回波子信号；所述处理器还用于根据不同组所述回波子信号之间的DBF谱峰相位差得到所述目标角度。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述接收天线的个数为至少两个，所述接收天线等间距分布且相邻所述接收天线之间的间距大于半波长；以及
相邻所述发射天线之间的间距为所述半波长；
其中，所述半波长为所述探测信号波长的一半。
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，相邻所述接收天线之间的间距为所述半波长的整数倍。
17.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，在沿垂直于辐射中心线方向上，所述发射天线和所述接收天线等间距分布；
其中，各所述发射天线的辐射中心，沿垂直于辐射中心线方向分布于至少两条直线上；和/或
各所述接收天线的辐射中心，沿垂直于辐射中心线方向分布于至少两条的直线上。
18.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述探测信号包括至少一帧信号，各所述帧信号包括至少两个信号单元；
其中，各所述发射天线错时依序交替发射所述信号单元，或者，各所述发射天线错时依序发射至少一所述帧信号。
19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述探测信号为调频连续波时，所述半波长为所述探测信号的中心频率所对应波长的一半。
20.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，不同发射天线所发射所述探测信号之间的波形相异。
21.根据权利要求20所述的装置，其特征在于，所述信号单元为啁啾信号，以及
不同所述发射天线所发射所述探测信号的所述啁啾信号之间的波形相异，中心频率相同。
22.根据权利要求14-21中任意一项所述的装置，其特征在于，所述处理器包括依次连接的混频模块、二维快速傅里叶变换模块、恒虚警率模块和数字波束形成模块，用于对所述回波信号依次进行降频、二维快速傅里叶变换、恒虚警率搜索和数字波束形成处理以得到DBF谱；
其中，所述装置还包括处理模块，用于根据不同组所述回波子信号对应的所述DBF谱计算出所述DBF谱峰相位差，并得到所述目标角度。
23.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，所述处理装置基于相邻所述接收天线之间的间距与所述半波长之间的比值，以及各组所述回波子信号所对应的DBF谱峰扫描角度来得到所述目标角度。
24.一种传感器，其特征在于，包括如权利要求1-6、14-23中任意一项所述的装置，用于测量目标的角度、速度和/或距离。
25.根据权利要求24所述的传感器，其特征在于，所述调频连续波信号为毫米波信号，和/或
所述测量目标角度的装置为AiP芯片。
26.一种设备，包括设备本体和设置于所述设备本体上的电子器件；
其中，所述电子器件为如权利要求24或25所述的传感器，用于进行目标检测或通信。
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