CN114879139B - 一种车载4d毫米波雷达的联合测角方法、装置及相关设备 - Google Patents

一种车载4d毫米波雷达的联合测角方法、装置及相关设备 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种车载4D毫米波雷达的联合测角方法、装置及相关设备，该方法包括：基于目标二维收发阵列中的回波数据矩阵，确定二维测角矩阵，并对其各行进行FFT或DBF处理，得到水平维度压缩后的二维测角矩阵；从该水平维度压缩后的二维测角矩阵中确定包含实际阵元的数量最多的目标行，并基于该目标行确定各目标在水平方向的角度信息和索引信息；最后基于索引信息确定目标列，并利用超分辨率算法对目标列进行竖直方向的测角，得到竖直方向的角度信息。本申请无需对二维测角矩阵中的所有行以及所有列进行FFT或DBF，只需要二维测角矩阵中存在至少一行数目足够多的阵元，则可以通过合适的收发天线阵元排布，实现较为有效的角度测量。

Description

一种车载4D毫米波雷达的联合测角方法、装置及相关设备
技术领域
本申请涉及毫米波雷达技术领域，更具体地说，是涉及一种车载4D毫米波雷达的联合测角方法、装置及相关设备。
背景技术
汽车行业正朝着更智能的方向发展，从高级辅助驾驶系统（Advanced DriverAssistance System，ADAS）到面向更高级别的自动驾驶，这些功能的实现离不开为决策系统提供周边环境信息感知的各类传感器。毫米波雷达有着探测距离远、可以测速、可以全天时全天候工作、成本低等优势，已经成为了汽车最为核心的传感器之一。
传统的毫米波雷达传感器只具备水平维度的测角功能，自动驾驶等级的提高对传感器的要求也更高，于是催生了近几年开始走向市场的4D毫米波雷达。4D雷达可以感知的目标物包括距离、速度、水平角度、竖直角度这四个维度的信息。相较于传统的车载4D毫米波雷达，4D雷达采用了二维面阵，具备了竖直向的测角能力，同时两个维度的测角分辨率也更高。
由于车载4D毫米波雷达是安装于汽车上的，其尺寸不能过大，这与4D雷达要求的极高的测角分辨率（一般要求水平向和竖直向的测角分辨率在1°左右）是相矛盾的：更高角分辨率的获得需要更大的天线面板尺寸。因此，如何利用有限面板尺寸的天线来对目标物进行角度测量，并使其满足角分辨率要求是一个亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种车载4D毫米波雷达的联合测角方法、装置及相关设备，以实现在面板尺寸受限的前提下进行有效测角。
为实现上述目的，本申请第一方面提供了一种车载4D毫米波雷达的联合测角方法，包括：
基于目标二维收发阵列中各接收天线接收到的回波数据矩阵，确定各目标对应的二维测角矩阵，所述二维测角矩阵包含各目标的位置和速度信息；
对所述二维测角矩阵的各行进行快速傅里叶变换FFT或进行数字波束成形DBF处理，得到水平维度压缩后的二维测角矩阵；
从所述水平维度压缩后的二维测角矩阵中确定包含实际阵元的数量最多的目标行，并基于所述目标行确定各目标在水平方向上的角度信息以及在水平方向上的索引信息，其中，每一所述阵元对应有一发射天线和一接收天线；
基于每一目标的所述索引信息，从所述水平维度压缩后的二维测角矩阵中确定所述目标的目标列，并利用超分辨率算法对各目标的所述目标列进行竖直方向上的测角，得到各目标在竖直方向的角度信息。
优选地，所述基于目标二维收发阵列中各接收天线接收到的回波数据矩阵，确定各目标对应的二维测角矩阵的过程，包括：
对各回波数据矩阵进行二维快速傅里叶变换2D-FFT，得到各距离-多普勒谱；
对所述距离-多普勒谱进行非相关累积处理，得到累积后的距离-多普勒谱；
对各距离-多普勒谱进行恒虚警率CFAR检测，得到各目标的距离和速度索引；
基于所述各距离-多普勒谱以及所述各目标的距离和速度索引，获取各目标对应的二维测角矩阵。
优选地，所述利用超分辨率算法对各目标的所述目标列进行竖直方向上的测角，得到各目标在竖直方向的角度信息的过程，包括：
利用迭代自适应算法IAA或正交匹配追踪算法OMP对各目标的所述目标列进行竖直方向上的测角，得到各目标在竖直方向的角度信息。
优选地，基于所述目标行确定各目标在水平方向上的角度信息以及在水平方向的索引信息的过程，包括：
基于所述目标行，利用找极大值法确定各目标在水平方向的角度信息以及在水平方向上的索引信息。
优选地，所述目标二维收发阵列为非均匀天线阵列，包括若干作为发射天线的发射阵元以及若干作为接收天线的接收阵元；
所述目标二维收发阵列中，水平方向上的发射阵元/接收阵元的间距最小值为0.58
Figure 856696DEST_PATH_IMAGE001
，竖直方向上的发射阵元/接收阵元的间距最小值为1.45
Figure 721884DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 923058DEST_PATH_IMAGE001
为所采用的毫米波的波长。
优选地，所述目标二维收发阵列中，一半以上的发射阵元设置在同一行，各接收阵元排列成两行，且每行中相邻的接收阵元之间的间隔一致。
优选地，所述目标二维收发阵列包括12个发射阵元和16个接收阵元；所述12个发射阵元排列成4行，其中6个发射阵元设置在第2行或第3行，另外6个发射阵元均匀排列在另外3行；所述两行接收阵元分别设置在发射阵元的上、下两侧。
本申请第二方面提供了一种车载4D毫米波雷达的联合测角装置，包括：
数据矩阵确定单元，用于基于目标二维收发阵列中各接收天线接收到的回波数据矩阵，确定各目标对应的二维测角矩阵，所述二维测角矩阵包含各目标的位置和速度信息；
数据矩阵压缩单元，用于对所述二维测角矩阵的各行进行快速傅里叶变换FFT或进行数字波束成形DBF处理，得到水平维度压缩后的二维测角矩阵；
水平角度确定单元，用于从所述水平维度压缩后的二维测角矩阵中确定包含实际阵元的数量最多的目标行，并基于所述目标行确定各目标在水平方向的角度信息以及在水平方向的索引信息，其中，每一所述阵元对应有一发射天线和一接收天线；
竖直角度确定单元，基于每一目标的所述索引信息，从所述水平维度压缩后的二维测角矩阵中确定所述目标的目标列，并利用超分辨率算法对各目标的所述目标列进行竖直方向上的测角，得到各目标在竖直方向的角度信息。
本申请第三方面提供了一种车载4D毫米波雷达的联合测角设备，包括：存储器和处理器；
所述存储器，用于存储程序；
所述处理器，用于执行所述程序，实现上述的车载4D毫米波雷达的联合测角方法的各个步骤。
本申请第四方面提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上述的车载4D毫米波雷达的联合测角方法的各个步骤。
经由上述的技术方案可知，本申请基于目标二维收发阵列中各接收天线接收到的回波数据矩阵，确定各目标对应的二维测角矩阵。其中，所述二维测角矩阵包含各目标的位置和速度信息。接着，从所述二维测角矩阵中确定包含实际阵元的数量最多的目标行。其中，每一所述阵元对应有一发射天线和一接收天线。由于所述目标行包含阵元的数量最多，意味着所述目标行包含足够的水平方向上的角度信息。从而，通过对所述目标行进行快速傅里叶变换FFT或进行数字波束成形DBF处理，可以得到各目标在水平方向的角度信息以及在水平方向的索引信息。然后，基于每一目标的所述索引信息，从所述二维测角矩阵中确定所述目标的目标列，最后利用超分辨率算法对各目标的所述目标列进行竖直方向上的测角，得到各目标在竖直方向的角度信息。本申请无需对二维测角矩阵中的所有行以及所有列进行FFT或DBF，且对每一行、每一列的元素稀疏度要求不高，只需要二维测角矩阵中存在至少一行数目足够多的阵元，则可以通过合适的收发天线阵元排布，实现较为有效的角度测量，并且满足角度分辨率的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1示例了本申请实施例公开的非均匀排布的二维收发阵列的示意图；
图2示例了本申请实施例公开的二维虚拟阵列的示意图；
图3为本申请实施例公开的车载4D毫米波雷达的联合测角方法的示意图；
图4示例了本申请实施例公开的水平方向上测角的效果示意图；
图5示例了本申请实施例公开的竖直方向上测角的效果示意图；
图6示例了采用传统的二维FFT进行测角的效果示意图；
图7示例了采用本申请的方法进行联合测角的效果示意图；
图8为本申请实施例公开的车载4D毫米波雷达的联合测角装置的示意图；
图9为本申请实施例公开的车载4D毫米波雷达的联合测角设备的示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为便于理解，下面首先介绍本申请提供的车载4D毫米波雷达的联合测角方法所采用的二维收发阵列。请参阅图1，本申请实施例提供的二维收发阵列采用了非均匀的面阵设计，其包含了12个发射天线以及16个接收天线，该二维收发阵列以多发多收（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）的工作模式应用于车载4D毫米波雷达系统中。其中，多发多收是指雷达的天线面板使用按照一定的设计排布的多个发射天线和多个接收天线来完成电磁波信号的发射和接收，这种方法能以产生虚拟孔径的方式实现更高的分辨率，以实现天线孔径的拓展。
具体地，车载4D毫米波雷达一般用作汽车在前向目标探测，对测角范围的要求一般为水平方向上的
Figure 568803DEST_PATH_IMAGE002
左右、竖直方向上的
Figure 880836DEST_PATH_IMAGE003
左右，雷达的最大不模糊测角范围有公式：
Figure 866110DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 739650DEST_PATH_IMAGE001
为所采用的毫米波的波长，
Figure 872691DEST_PATH_IMAGE005
为二维收发阵列中阵元之间的最小间距。由此公式以及最大不模糊测角范围：水平方向上的
Figure 926098DEST_PATH_IMAGE002
，以及竖直方向上的
Figure 828195DEST_PATH_IMAGE003
，可以将水平方向的阵元间距最小值设置为
Figure 371171DEST_PATH_IMAGE006
，竖直向阵元间距最小值设置为
Figure 663612DEST_PATH_IMAGE007
。
如图1所示，该16个接收阵元平均分成两组，每组接收阵元为间隔
Figure 84492DEST_PATH_IMAGE008
的均匀排布，分别设置于面阵的第1行与第6行，两行之间间距为
Figure 841095DEST_PATH_IMAGE009
。该12个发射天线设置于面阵的第2至第5行，这4行之间的竖直方向上的位置关系满足最小冗余阵列设计原则。具体地，这4行之间的竖直方向上的位置关系应该是满足（0，1，4，6）的比例关系，对应到以竖直向
Figure 554973DEST_PATH_IMAGE007
的最小值来说，这4行之间的间隔即为：
Figure 600290DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 57816DEST_PATH_IMAGE011
以及
Figure 170391DEST_PATH_IMAGE012
。因此，在不考虑天线尺寸的前提下，如图1所示的二维收发阵列所占尺寸为：水平方向上
Figure 258432DEST_PATH_IMAGE013
，竖直方向上
Figure 587782DEST_PATH_IMAGE009
。以车载毫米波雷达行业规定的77GHz工作频率计算，该二维收发阵列对应的面板尺寸约为：99.43mm*67.79mm，符合对车载毫米波雷达尺寸的要求。
该二维收发阵列可以产生的二维虚拟阵列如图2所示。具体地，MIMO模式下，12发16收可以产生12*16=192个虚拟阵元，但是在该二维收发阵列中，第3行和第7行的最中间阵元会发射重合（对应图2中的两个使用黑色填充的阵元），于是实际产生的非重合阵元只有190个。
下面介绍本申请实施例提供的车载4D毫米波雷达的联合测角方法。请参阅图3，本申请实施例提供的车载4D毫米波雷达的联合测角方法可以包括如下步骤：
步骤S101，基于目标二维收发阵列中各接收天线接收到的回波数据矩阵，确定各目标对应的二维测角矩阵。
其中，发射天线使用时分的模式或其他模式发射线性调频信号（chirp信号），单帧下每个天线发射
Figure 849000DEST_PATH_IMAGE014
个chirp，接收天线对每个chirp的采样点数为
Figure 252299DEST_PATH_IMAGE015
个，因此，每一虚拟阵元对应有1个
Figure 573559DEST_PATH_IMAGE016
大小的回波数据矩阵，每一接收天线对应有
Figure 891670DEST_PATH_IMAGE017
个
Figure 628682DEST_PATH_IMAGE016
大小的回波数据矩阵，其中，
Figure 214384DEST_PATH_IMAGE017
为发射天线的个数。
示例性地，对应于图1中的二维收发阵列，每一接收阵元对应有12个
Figure 706545DEST_PATH_IMAGE016
，对应的192个虚拟阵元总共可得到192个
Figure 744908DEST_PATH_IMAGE016
大小的回波数据矩阵，其中舍弃前述对应位置重复的两个回波数据矩阵，可以得到有效的190个回波数据矩阵。
对各回波数据矩阵分别基于距离、速度的维度进行FFT，接着基于天线维度进行累积，最后通过CFAR检测等处理可以得到二维测角矩阵。可以理解的是，该二维测角矩阵包含各目标的位置和速度信息。
步骤S102，对该二维测角矩阵的各行进行FFT或DBF处理，得到水平维度压缩后的二维测角矩阵。
其中，通过该二维测角矩阵的各行进行FFT（fast Fourier transform，快速傅里叶变换）或DBF（Digital Beam Forming，数字波束成形）处理，实现了从行的维度对该二维测角矩阵进行压缩，经过压缩后的该水平维度压缩后的二维测角矩阵包含了各目标在水平方向上的角度信息以及各目标在水平方向的索引信息。
步骤S103，从水平维度压缩后的二维测角矩阵中确定包含实际阵元的数量最多的目标行，并基于该目标行确定各目标在水平方向的角度信息以及在水平方向的索引信息。
可以理解的是，每一阵元对应有一发射天线和一接收天线，在接收阵元均匀排布的前提下，包含阵元数量最多的行，意味着该行所对应的发射阵元数量最多，包含水平方向上的更多的角度信息，以该行作为目标行，即可满足水平方向上的角度计算。对应于如图2所示的二维虚拟阵列，可以将第3行或第7行确定为目标行。
基于该目标行，通过找极大值等方法可以得到各目标在水平方向的角度信息以及在水平方向的索引信息。
步骤S104，基于每一目标的索引信息，从水平维度压缩后的二维测角矩阵中确定该目标的目标列，并利用超分辨率算法对各目标的目标列进行竖直方向上的测角，得到各目标在竖直方向的角度信息。
在车载雷达的实际应用中，一般不使用超分辨率算法做角度测量，主要有两个原因：一是包括经典的MUSIC（Multiple Signal Classification，多重信号分类算法）、ESPRIT（Estimating Signal Parameter via Rotational Invariance Techniques，基于旋转不变技术的信号参数估计）等算法在内的超分辨算法需要多快拍的数据（对应到车载毫米波雷达中就是需要多帧的数据），二是基本所有的超分辨算法都需要较大的计算量。考虑到实际应用场景中雷达和目标都在运动，多快拍下目标与雷达的相对位置关系早已发生改变，利用多快拍的数据进行角度测量会导致较大的偏差。此外车载毫米波雷达对测量结果的更新率有要求（一般为20Hz），所以超分辨算法很少用于车载毫米波雷达中的角度测量。
而本申请实施例在竖直向使用超分辨算法进行测角的依据包括：
1、选用的超分辨算法只基于单快拍（单帧）的数据。
2、不需要对全部的列进行超分辨运算，而只是对水平向存在目标的角度位置进行超分辨率运算。
一般而言，因为上述数据是从单个距离和速度门下得到的，可以通过设置带宽等参数使距离分辨率和速度分辨率足够小，可以认为同一个距离和速度门下最多只允许有4个左右目标，也即需要在竖直方向做超分辨测角的列不会超过4列。
3、竖直向的角度测量范围是
Figure 285611DEST_PATH_IMAGE003
，相较于水平向要求的
Figure 492864DEST_PATH_IMAGE002
的测角范围，超分辨算法可以将运算量降低2/3。
此外，从阵列设计的角度来说，在竖直向使用超分辨测角，在达到同样的角度分辨率的前提下，超分辨算法相较于FFT或波束成形的算法，其对阵列稀疏度的要求更低，也即允许使用较少的阵元而能达到更高的角分辨率，更加有利于满足车载雷达的尺寸要求。
本申请基于目标二维收发阵列中各接收天线接收到的回波数据矩阵，确定各目标对应的二维测角矩阵。其中，所述二维测角矩阵包含各目标的位置和速度信息。接着，从所述二维测角矩阵中确定包含实际阵元的数量最多的目标行。其中，每一所述阵元对应有一发射天线和一接收天线。由于所述目标行包含阵元的数量最多，意味着所述目标行包含足够的水平方向上的角度信息。从而，通过对所述目标行进行快速傅里叶变换FFT或进行数字波束成形DBF处理，可以得到各目标在水平方向的角度信息以及在水平方向的索引信息。然后，基于每一目标的所述索引信息，从所述二维测角矩阵中确定所述目标的目标列，最后利用超分辨率算法对各目标的所述目标列进行竖直方向上的测角，得到各目标在竖直方向的角度信息。本申请无需对二维测角矩阵中的所有行以及所有列进行FFT或DBF，且对每一行、每一列的元素稀疏度要求不高，只需要二维测角矩阵中存在至少一行数目足够多的阵元，则可以通过合适的收发天线阵元排布，实现较为有效的角度测量，并且满足角度分辨率的要求。
可以理解的是，本申请上述实施例公开的车载4D毫米波雷达的联合测角方法适用于所有的二维收发阵列，图1所示的二维收发阵列是较优的一种。二维收发阵列中接收阵元、发射阵元之间的具体间距，主要取决于想要达到的最大不模糊测角范围和角度分辨率，当最大不模糊测角范围这一系统参数确定后，相邻阵元之间的最小间隔就会被确定：比如给出的阵列中，水平方向的最大不模糊范围设置为
Figure 890347DEST_PATH_IMAGE002
，此时依据前述的雷达的最大不模糊测角范围公式，得到水平方向的阵元的最小间隔应该为
Figure 619269DEST_PATH_IMAGE006
。
基于此，在本申请的一些实施例中，目标二维收发阵列可以为非均匀天线阵列，包括若干作为发射天线的发射阵元以及若干作为接收天线的接收阵元。在该目标二维收发阵列中，水平方向上的发射阵元或接收阵元的间距最小值为
Figure 760400DEST_PATH_IMAGE006
，竖直方向上的发射阵元或接收阵元的间距最小值为
Figure 320694DEST_PATH_IMAGE007
，其中，
Figure 390544DEST_PATH_IMAGE001
为所采用的毫米波的波长。
为贴合本申请实施例提供的车载4D毫米波雷达的联合测角方法，在水平方向保证使用FFT或波束成形进行测角的准确性，在二维收发阵列尺寸受限的情况下，可以将一半的发射天线设置在同一行，使其产生如图2中第3行和第7行那样足够密的虚拟阵元。
基于此，在本申请的一些实施例中，在目标二维收发阵列中，一半以上的发射阵元设置在同一行，各接收阵元排列成两行，且每行中相邻的接收阵元之间的间隔一致。
而竖直方向由于可以使用超分辨算法，对阵列稀疏度的要求低一些，可以对发射阵元按照最小冗余阵的间隔进行排布，实际的排布方式可以有多种，但对应的测角分辨率可能不一样。
基于此，在本申请的一些实施例中，目标二维收发阵列可以包括12个发射阵元和16个接收阵元。其中，该12个发射阵元排列成4行，其中6个发射阵元设置在第2行或第3行，另外6个发射阵元均匀排列在另外3行。两行接收阵元分别设置在发射阵元的上、下两侧。
在本申请的一些实施例中，上述步骤S101基于目标二维收发阵列中各接收天线接收到的回波数据矩阵，确定各目标对应的二维测角矩阵的过程，可以包括：
S1，对各回波数据矩阵进行2D-FFT，得到各距离-多普勒谱。
其中，通过对各回波数据矩阵进行2D-FFT（2-Dimention Fast FourierTransform，二维快速傅里叶变换），可以完成回波数据在距离维度、速度维度的压缩。
S2，对距离-多普勒谱进行非相关累积处理，得到累积后的距离-多普勒谱。
其中，该非相关累积处理实际上是对S1中得到的数据基于天线维度进行累积，从而得到每个通道下的数据。
S3，对各距离-多普勒谱进行CFAR（Constant False Alarm Rate，恒虚警率）检测，得到各目标的距离和速度索引。
具体地，根据非相干积累结果进行恒虚警率检测，可以得到这一帧内所有可能的目标。根据CFAR检测的可能目标在距离-多普勒谱上的对应位置，可以计算出目标的距离和速度信息。
S4，基于各距离-多普勒谱以及各目标的距离和速度索引，获取各目标对应的二维测角矩阵。
示例性地，对应于图1中的二维收发阵列，可以得到大小为18*87的二维测角矩阵。其中，由于图2中所示的二维虚拟阵列实际上只有190个有效阵元，因此，对于二维测角矩阵中阵元空缺的元素可以采用0来填充。
在本申请的一些实施例中，上述步骤S103基于该目标行确定各目标在水平方向上的角度信息以及在水平方向的索引信息的过程，可以包括：
基于该目标行，利用找极大值法确定各目标在水平方向的角度信息以及在水平方向上的索引信息。
在本申请的一些实施例中，上述步骤S104利用超分辨率算法对各目标的目标列进行竖直方向上的测角，得到各目标在竖直方向的角度信息的过程，可以包括：
利用IAA（Iterative Adaptive Approach，迭代自适应算法）或OMP（OrthogonalMatching Pursuit，正交匹配追踪算法）对各目标的目标列进行竖直方向上的测角，得到各目标在竖直方向的角度信息。
为验证本申请上述实施例提供的车载4D毫米波雷达的联合测角方法的有效性，在水平方向上设置了3个目标，目标分别位于0°、1.15°和58°。其中，设置两个目标间距为1.15°是为了验证二维收发阵列在水平方向上有能力分辨出来角度间距为1.15°的两个目标，从而验证水平方向上的角分辨率；设置另外一个目标在58°的位置是为了验证二维收发阵列在水平方向可以检测到58°的目标，从而验证水平方向上的最大不模糊测角范围。
对于图1所示的二维收发阵列中，水平方向产生的虚拟阵列长度为
Figure 669078DEST_PATH_IMAGE018
，使用FFT的方法测角时，有角分辨率计算公式：
Figure 676218DEST_PATH_IMAGE019
其中，D为天线孔径，此处等于
Figure 666519DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 671384DEST_PATH_IMAGE001
为载频对应的波长，此处取77GHz对应的波长，
Figure 109319DEST_PATH_IMAGE020
为方位角，不同方位角下角分辨率不一样，一般取
Figure 592252DEST_PATH_IMAGE020
=0，得到阵列的角分辨率，于是由公式可知所设计阵列的水平向角分辨率约为1.15°，如图4所示，仿真的结果显示设置的位于0°和1.15°处的目标可以被分开，验证了阵列设计的正确性。
竖直方向上设置了3个目标，目标分别位于0°、1.2°和18°，如图1所示的二维收发阵列中，竖直向的阵列孔径大小为
Figure 628604DEST_PATH_IMAGE021
，不使用超分辨算法时，结合前面的公式，可得其理论的角分辨率约为2.32°，而从图5所示的仿真结果来看，位于0°和1.2°两处的目标可以被区分开，也即实现了竖直方向的超分辨，经多次仿真实验验证，在图1所示的二维收发阵列下，竖直方向可以达到约1.2°的角分辨率。
此外，为体现本申请实施例提供的车载4D毫米波雷达的联合测角方法与传统的2D-FFT的测角方法效果对比，对随机选取的同一组4个目标进行测角，其中，这些目标分别位于：（-25°，12°）、（6°，8°）、（0°，0°）、（20°，-5°），两种方法的二维处理结果分别如图6和图7所示。
可以看到两种方法都可以完成对设置目标的探测：对应二维平面中四个最大的极值点。但是传统的方法由于阵列的稀疏度较高，导致其它位置处的旁瓣很高，实际应用中一些发射能量较弱的目标极易被较高的旁瓣盖住，在找目标的过程中如果方法不当很容易导致目标找错。而本申请实施例提供的车载4D毫米波雷达的联合测角方法可以将旁瓣压制到极低的水平，二维的测角效果得到了极大改善。
下面对本申请实施例提供的车载4D毫米波雷达的联合测角装置进行描述，下文描述的车载4D毫米波雷达的联合测角装置与上文描述的车载4D毫米波雷达的联合测角方法可相互对应参照。
请参见图8，本申请实施例提供的车载4D毫米波雷达的联合测角装置，可以包括：
数据矩阵确定单元21，用于基于目标二维收发阵列中各接收天线接收到的回波数据矩阵，确定各目标对应的二维测角矩阵，所述二维测角矩阵包含各目标的位置和速度信息；
数据矩阵压缩单元22，用于对所述二维测角矩阵的各行进行快速傅里叶变换FFT或进行数字波束成形DBF处理，得到水平维度压缩后的二维测角矩阵；
水平角度确定单元23，用于从所述水平维度压缩后的二维测角矩阵中确定包含实际阵元的数量最多的目标行，并基于所述目标行确定各目标在水平方向的角度信息以及在水平方向的索引信息，其中，每一所述阵元对应有一发射天线和一接收天线；
竖直角度确定单元24，基于每一目标的所述索引信息，从所述水平维度压缩后的二维测角矩阵中确定所述目标的目标列，并利用超分辨率算法对各目标的所述目标列进行竖直方向上的测角，得到各目标在竖直方向的角度信息。
在本申请的一些实施例中，数据矩阵确定单元21基于目标二维收发阵列中各接收天线接收到的回波数据矩阵，确定各目标对应的二维测角矩阵的过程，可以包括：
对各回波数据矩阵进行二维快速傅里叶变换2D-FFT，得到各距离-多普勒谱；
对所述距离-多普勒谱进行非相关累积处理，得到累积后的距离-多普勒谱；
对各距离-多普勒谱进行恒虚警率CFAR检测，得到各目标的距离和速度索引；
基于所述各距离-多普勒谱以及所述各目标的距离和速度索引，获取各目标对应的二维测角矩阵。
在本申请的一些实施例中，水平角度确定单元23基于所述目标行确定各目标在水平方向上的角度信息以及在水平方向的索引信息的过程，可以包括：
基于所述目标行，利用找极大值法确定各目标在水平方向的角度信息以及在水平方向上的索引信息。
在本申请的一些实施例中，竖直角度确定单元24利用超分辨率算法对各目标的所述目标列进行竖直方向上的测角，得到各目标在竖直方向的角度信息的过程，可以包括：
利用迭代自适应算法IAA或正交匹配追踪算法OMP对各目标的所述目标列进行竖直方向上的测角，得到各目标在竖直方向的角度信息。
在本申请的一些实施例中，所述目标二维收发阵列为非均匀天线阵列，包括若干作为发射天线的发射阵元以及若干作为接收天线的接收阵元；
所述目标二维收发阵列中，水平方向上的发射阵元/接收阵元的间距最小值为0.58
Figure 476474DEST_PATH_IMAGE001
，竖直方向上的发射阵元/接收阵元的间距最小值为1.45
Figure 464022DEST_PATH_IMAGE001
，其中，
Figure 750647DEST_PATH_IMAGE001
为所采用的毫米波的波长。
在本申请的一些实施例中，所述目标二维收发阵列中，一半以上的发射阵元设置在同一行，各接收阵元排列成两行，且每行中相邻的接收阵元之间的间隔一致。
在本申请的一些实施例中，所述目标二维收发阵列包括12个发射阵元和16个接收阵元；所述12个发射阵元排列成4行，其中6个发射阵元设置在第2行或第3行，另外6个发射阵元均匀排列在另外3行；所述两行接收阵元分别设置在发射阵元的上、下两侧。
本申请实施例提供的车载4D毫米波雷达的联合测角装置可应用于车载4D毫米波雷达的联合测角设备，如计算机等。可选的，图9示出了车载4D毫米波雷达的联合测角设备的硬件结构框图，参照图9，车载4D毫米波雷达的联合测角设备的硬件结构可以包括：至少一个处理器31，至少一个通信接口32，至少一个存储器33和至少一个通信总线34。
在本申请实施例中，处理器31、通信接口32、存储器33、通信总线34的数量为至少一个，且处理器31、通信接口32、存储器33通过通信总线34完成相互间的通信；
处理器31可能是一个中央处理器CPU，或者是特定集成电路ASIC（ApplicationSpecific Integrated Circuit），或者是被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路等；
存储器32可能包含高速RAM存储器，也可能还包括非易失性存储器（non-volatilememory）等，例如至少一个磁盘存储器；
其中，存储器33存储有程序，处理器31可调用存储器33存储的程序，所述程序用于：
基于目标二维收发阵列中各接收天线接收到的回波数据矩阵，确定各目标对应的二维测角矩阵，所述二维测角矩阵包含各目标的位置和速度信息；
对所述二维测角矩阵的各行进行快速傅里叶变换FFT或进行数字波束成形DBF处理，得到水平维度压缩后的二维测角矩阵；
从所述水平维度压缩后的二维测角矩阵中确定包含实际阵元的数量最多的目标行，并基于所述目标行确定各目标在水平方向上的角度信息以及在水平方向上的索引信息，其中，每一所述阵元对应有一发射天线和一接收天线；
基于每一目标的所述索引信息，从所述水平维度压缩后的二维测角矩阵中确定所述目标的目标列，并利用超分辨率算法对各目标的所述目标列进行竖直方向上的测角，得到各目标在竖直方向的角度信息。
可选的，所述程序的细化功能和扩展功能可参照上文描述。
本申请实施例还提供一种存储介质，该存储介质可存储有适于处理器执行的程序，所述程序用于：
基于目标二维收发阵列中各接收天线接收到的回波数据矩阵，确定各目标对应的二维测角矩阵，所述二维测角矩阵包含各目标的位置和速度信息；
对所述二维测角矩阵的各行进行快速傅里叶变换FFT或进行数字波束成形DBF处理，得到水平维度压缩后的二维测角矩阵；
从所述水平维度压缩后的二维测角矩阵中确定包含实际阵元的数量最多的目标行，并基于所述目标行确定各目标在水平方向上的角度信息以及在水平方向上的索引信息，其中，每一所述阵元对应有一发射天线和一接收天线；
基于每一目标的所述索引信息，从所述水平维度压缩后的二维测角矩阵中确定所述目标的目标列，并利用超分辨率算法对各目标的所述目标列进行竖直方向上的测角，得到各目标在竖直方向的角度信息。
可选的，所述程序的细化功能和扩展功能可参照上文描述。
综上所述：
本申请基于目标二维收发阵列中各接收天线接收到的回波数据矩阵，确定各目标对应的二维测角矩阵。其中，所述二维测角矩阵包含各目标的位置和速度信息。接着，从所述二维测角矩阵中确定包含实际阵元的数量最多的目标行。其中，每一所述阵元对应有一发射天线和一接收天线。由于所述目标行包含阵元的数量最多，意味着所述目标行包含足够的水平方向上的角度信息。从而，通过对所述目标行进行快速傅里叶变换FFT或进行数字波束成形DBF处理，可以得到各目标在水平方向的角度信息以及在水平方向的索引信息。然后，基于每一目标的所述索引信息，从所述二维测角矩阵中确定所述目标的目标列，最后利用超分辨率算法对各目标的所述目标列进行竖直方向上的测角，得到各目标在竖直方向的角度信息。本申请无需对二维测角矩阵中的所有行以及所有列进行FFT或DBF，且对每一行、每一列的元素稀疏度要求不高，只需要二维测角矩阵中存在至少一行数目足够多的阵元，则可以通过合适的收发天线阵元排布，实现较为有效的角度测量，并且满足角度分辨率的要求。
最后，还需要说明的是，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。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间可以根据需要进行组合，且相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种车载4D毫米波雷达的联合测角方法，其特征在于，包括：
基于目标二维收发阵列中各接收天线接收到的回波数据矩阵，确定各目标对应的二维测角矩阵，所述二维测角矩阵包含各目标的位置和速度信息；
对所述二维测角矩阵的各行进行快速傅里叶变换FFT或进行数字波束成形DBF处理，得到水平维度压缩后的二维测角矩阵；
从所述水平维度压缩后的二维测角矩阵中确定包含实际阵元的数量最多的目标行，并基于所述目标行确定各目标在水平方向上的角度信息以及在水平方向上的索引信息，其中，每一所述阵元对应有一发射天线和一接收天线；
基于每一目标的所述索引信息，从所述水平维度压缩后的二维测角矩阵中确定所述目标的目标列，并利用超分辨率算法对各目标的所述目标列进行竖直方向上的测角，得到各目标在竖直方向的角度信息；
所述目标二维收发阵列为非均匀天线阵列，包括若干作为发射天线的发射阵元以及若干作为接收天线的接收阵元；
所述目标二维收发阵列中，水平方向上的发射阵元/接收阵元的间距最小值为0.58
Figure 333624DEST_PATH_IMAGE001
，竖直方向上的发射阵元/接收阵元的间距最小值为1.45
Figure 662974DEST_PATH_IMAGE001
，其中，
Figure 861874DEST_PATH_IMAGE001
为所采用的毫米波的波长；
所述目标二维收发阵列中，一半以上的发射阵元设置在同一行，各接收阵元排列成两行，且每行中相邻的接收阵元之间的间隔一致；
所述目标二维收发阵列包括12个发射阵元和16个接收阵元；所述12个发射阵元排列成4行，其中6个发射阵元设置在第2行或第3行，另外6个发射阵元均匀排列在另外3行；两行接收阵元分别设置在发射阵元的上、下两侧。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于目标二维收发阵列中各接收天线接收到的回波数据矩阵，确定各目标对应的二维测角矩阵的过程，包括：
对各回波数据矩阵进行二维快速傅里叶变换2D-FFT，得到各距离-多普勒谱；
对所述距离-多普勒谱进行非相关累积处理，得到累积后的距离-多普勒谱；
对各距离-多普勒谱进行恒虚警率CFAR检测，得到各目标的距离和速度索引；
基于所述各距离-多普勒谱以及所述各目标的距离和速度索引，获取各目标对应的二维测角矩阵。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用超分辨率算法对各目标的所述目标列进行竖直方向上的测角，得到各目标在竖直方向的角度信息的过程，包括：
利用迭代自适应算法IAA或正交匹配追踪算法OMP对各目标的所述目标列进行竖直方向上的测角，得到各目标在竖直方向的角度信息。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述目标行确定各目标在水平方向上的角度信息以及在水平方向的索引信息的过程，包括：
基于所述目标行，利用找极大值法确定各目标在水平方向的角度信息以及在水平方向上的索引信息。
5.一种车载4D毫米波雷达的联合测角装置，其特征在于，包括：
数据矩阵确定单元，用于基于目标二维收发阵列中各接收天线接收到的回波数据矩阵，确定各目标对应的二维测角矩阵，所述二维测角矩阵包含各目标的位置和速度信息；
数据矩阵压缩单元，用于对所述二维测角矩阵的各行进行快速傅里叶变换FFT或进行数字波束成形DBF处理，得到水平维度压缩后的二维测角矩阵；
水平角度确定单元，用于从所述水平维度压缩后的二维测角矩阵中确定包含实际阵元的数量最多的目标行，并基于所述目标行确定各目标在水平方向的角度信息以及在水平方向的索引信息，其中，每一所述阵元对应有一发射天线和一接收天线；
竖直角度确定单元，基于每一目标的所述索引信息，从所述水平维度压缩后的二维测角矩阵中确定所述目标的目标列，并利用超分辨率算法对各目标的所述目标列进行竖直方向上的测角，得到各目标在竖直方向的角度信息；
所述目标二维收发阵列为非均匀天线阵列，包括若干作为发射天线的发射阵元以及若干作为接收天线的接收阵元；
所述目标二维收发阵列中，水平方向上的发射阵元/接收阵元的间距最小值为0.58
Figure 593070DEST_PATH_IMAGE001
，竖直方向上的发射阵元/接收阵元的间距最小值为1.45
Figure 648750DEST_PATH_IMAGE001
，其中，
Figure 403080DEST_PATH_IMAGE001
为所采用的毫米波的波长；
所述目标二维收发阵列中，一半以上的发射阵元设置在同一行，各接收阵元排列成两行，且每行中相邻的接收阵元之间的间隔一致；
所述目标二维收发阵列包括12个发射阵元和16个接收阵元；所述12个发射阵元排列成4行，其中6个发射阵元设置在第2行或第3行，另外6个发射阵元均匀排列在另外3行；两行接收阵元分别设置在发射阵元的上、下两侧。
6.一种车载4D毫米波雷达的联合测角设备，其特征在于，包括：存储器和处理器；
所述存储器，用于存储程序；
所述处理器，用于执行所述程序，实现如权利要求1~4中任一项所述的车载4D毫米波雷达的联合测角方法的各个步骤。
7.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1~4中任一项所述的车载4D毫米波雷达的联合测角方法的各个步骤。
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