CN115047457A - 高分辨率无模糊雷达 - Google Patents

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Abstract

一种雷达系统和方法，包括并采用多个基本相同的收发器组，建立各自基本相同的重叠虚拟天线阵列。宽间距虚拟天线的第一子阵列提供高角度分辨率但高角度模糊度。窄间距虚拟天线的第二子阵列提供低角度模糊度但低角度分辨率。

Description

高分辨率无模糊雷达
技术领域
本主题公开涉及雷达系统。
背景技术
车辆(例如汽车、卡车、飞机、建筑设备、农场设备、工厂设备，无论是用户操作的还是自主操作的)可以配备用于监控周围环境的检测系统。示例检测系统可以包括用于检测物体/障碍物、跟踪物体和避开障碍物的雷达设备。雷达设备也可以用在车辆中以提醒用户(例如驾驶员或乘客)和高级驾驶员辅助系统(ADAS)。
雷达设备通常用于目标探测，并且通常可以提供指示目标的距离/速率、方位角和仰角的信息。汽车雷达设备，例如用于前视目标检测的设备，通常更关心方位角度分辨率，而不太关心仰角度分辨率。高分辨率雷达设备通常需要大量天线，信号处理在射频(RF)半导体芯片(chip)上完成。由于天线和RF芯片之间的连接迹线过长，来自如此大量天线的信号处理在单个RF芯片上可能不实际。因此，多个RF芯片可以耦合到相应的天线子集。天线放置对于雷达系统以高角度分辨率和无角度模糊度估计反射雷达信号到达角度的能力至关重要。这种天线子集可以允许具有许多自由度的天线放置的灵活性，因为天线在RF芯片的外部，并且在每个天线子集内提供不同的单独天线放置以及各个天线子集的不同放置是相对简单的事情。这种雷达系统通常可以在毫米范围的波长内或约7.5毫米(40GHz)到约1毫米(300GHz)工作。汽车毫米雷达可以从约75GHz到约110GHz工作，更具体地说，从约77GHz到约81GHz工作。
在较高的工作频率下，雷达设备的角度分辨率有可能得到提高。众所周知，较高的角度分辨率与工作频率成正比。较高的工作频率可能会限制使天线在RF芯片外部的能力。在较高频率(例如约240GHz)下工作的雷达设备受益于将天线集成为RF芯片的一部分，因为在这样的高频下，雷达设备对天线的精确位置非常敏感，通过较短的连接迹线降低了增益损耗，降低了串扰，并且这样的集成对温度变化是鲁棒的。然而，天线布置的每个独特子集将需要独特的RF芯片制造，从而对成本和复杂性产生负面影响。因此，期望最小化独特的RF芯片的数量，这不期望地限制了天线放置的自由度，并且负面地影响角度分辨率和角度无模糊度。
因此，期望提高集成RF芯片天线的雷达设备的角度分辨率和模糊度性能，同时也最小化这样做所需的独特RF芯片的数量。
发明内容
在一示例性实施例中，一种雷达系统包括多个基本相同的收发器组。每个收发器组可以具有至少一个相应的发射芯片和至少一个相应的接收芯片。每个发射芯片可以包括相应的发射前端、相应的连接迹线和N个基本均匀间隔的发射天线的相应的发射子阵列，其中N是整数。每个接收芯片可以包括相应的接收前端、相应的连接迹线和M个基本均匀间隔的接收天线的相应的接收子阵列，其中M是整数。每个收发器组可以与相邻的收发器组间隔基本相同的距离D4。每个收发器组建立相应的虚拟天线阵列，并且由相邻的收发器组建立的相应虚拟天线阵列可以在重叠区域中至少部分地重叠。
除了本文描述的一个或多个特征之外，相应的虚拟天线阵列可以包括相应的虚拟天线，并且重叠区域内的虚拟天线处于间隔相邻。
除了本文描述的一个或多个特征之外，基本均匀间隔的接收天线可以间隔距离D2，距离D2可以是雷达信号的至少一个波长。
除了本文描述的一个或多个特征之外，距离D2可以是雷达信号的一个波长的整数倍。
除了本文描述的一个或多个特征之外，基本均匀间隔的接收天线可以间隔距离D2，并且基本均匀间隔的发射天线可以间隔距离D1＝M*D2。
除了本文描述的一个或多个特征之外，距离D4可以小于N*D1。
除了本文描述的一个或多个特征之外，每个基本相同的收发器组的至少一个相应的发射芯片和至少一个相应的接收芯片可以包括封装到单独芯片中的单独管芯。
除了本文描述的一个或多个特征之外，每个基本相同的收发器组的至少一个相应的发射芯片和至少一个相应的接收芯片可以包括封装到单个芯片中的单独管芯。
除了本文描述的一个或多个特征之外，每个基本相同的收发器组的至少一个相应的发射芯片和至少一个相应的接收芯片可以包括公共管芯。
除了本文描述的一个或多个特征之外，多个基本相同的收发器组可以包括公共管芯。
在另一示例性实施例中，一种雷达方法可以包括利用第一收发器组建立第一虚拟天线阵列，其具有以距离D2基本均匀间隔的第一多个虚拟天线。该方法还可以包括利用与第一收发器组基本相同的第二收发器组建立第二虚拟天线阵列，其具有由距离D2基本均匀间隔的第二多个虚拟天线。该方法还可以包括重叠第一虚拟天线阵列和第二天线阵列，使得第一多个虚拟天线的一部分和第二多个虚拟天线的一部分间隔相邻地交替。
除了本文描述的一个或多个特征之外，雷达方法还可以包括在第一虚拟子阵列上执行第一波束形成操作，该第一虚拟子阵列具有间隔至少距离D2的第一多个虚拟天线中的一些和第二多个虚拟天线中的一些，来以第一角度分辨率评估雷达信号。该方法还可以包括在第二虚拟子阵列上执行第二波束形成操作，该第二虚拟子阵列具有间隔小于距离D2的第一多个虚拟天线中的一些和第二多个虚拟天线中的一些，来以小于第一角度分辨率的第二角度分辨率评估雷达信号。
除了本文描述的一个或多个特征之外，雷达方法还可以包括基于以第一角度分辨率评估的雷达信号和以第二角度分辨率评估的雷达信号来确定雷达信号的到达角度。
除了本文描述的一个或多个特征之外，距离D2可以是雷达信号的至少一个波长。
除了本文描述的一个或多个特征之外，距离D2可以是雷达信号的一个波长的整数倍。
在又一示例性实施例中，一种雷达系统可以包括具有相应发射芯片和相应接收芯片的第一收发器组，以及具有相应发射芯片和相应接收芯片的第二收发器组。第一收发器组和第二收发器组中的每个的相应发射芯片和相应接收芯片可以具有基本相同的空间布局。每个发射芯片可以包括相应的发射前端、相应的连接迹线和N个基本均匀间隔的发射天线的相应的发射子阵列，其中N是整数，其中每个相应的发射子阵列可以具有N个基本均匀间隔的发射天线的基本相同的空间布局。每个接收芯片可以包括相应的接收前端、相应的连接迹线和M个基本均匀间隔的接收天线的相应的接收子阵列，其中M是整数，其中每个相应的接收子阵列可以具有M个基本均匀间隔的接收天线的基本相同的空间布局。第一收发器组可以建立第一虚拟天线阵列，第二收发器组可以建立第二虚拟天线阵列。由相邻的收发器组建立的相应虚拟天线阵列可以在重叠区域中至少部分地重叠。
除了本文描述的一个或多个特征之外，基本均匀间隔的接收天线可以间隔距离D2，距离D2可以是雷达信号的至少一个波长。
除了本文描述的一个或多个特征之外，距离D2可以是雷达信号的一个波长的整数倍。
除了本文描述的一个或多个特征之外，基本均匀间隔的接收天线可以间隔距离D2，并且基本均匀间隔的发射天线可以间隔距离D1＝M*D2。
除了本文描述的一个或多个特征之外，第一收发器组和第二收发器组可以间隔小于N*D1的距离D4。
当结合附图时，根据以下详细描述，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点将变得显而易见。
附图说明
其他特征、优点和细节仅作为示例出现在以下详细描述中，该详细描述参考了附图，其中：
图1示出了根据本公开的车辆的实施例；
图2示出了根据本公开的计算机系统的实施例；
图3示出了根据本公开的雷达设备和虚拟天线阵列的实施例；
图4示出了虚拟天线阵列和以高角度分辨率和低角度模糊度评估反射雷达信号的操作过程流程；以及
图5示出了根据本公开的雷达设备和虚拟天线阵列的实施例。
具体实施方式
以下描述本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本公开、其应用或用途。在所有附图中，相应的附图标记表示相似或相应的部件和特征。
根据一个或多个示例性实施例，本文描述了用于雷达设备中的高角度分辨率和明确角度估计的方法和系统。示例性实施例可以包括最少数量的不同RF芯片天线集成雷达设备。例如，至少两个单个类型RF芯片天线集成封装可以布置成建立能够进行高角度分辨率和明确角度估计的虚拟天线阵列。
图1示出了车辆10的实施例，其包括至少部分地限定乘员舱14的车身12。车辆10虽然在图1中显示为汽车，但可以是任何卡车、飞机、建筑设备、农场设备、工厂设备等(无论是用户操作的还是自主操作的)。因此，车辆和车身12不是限制性的。
车身12可以支持各种车辆子系统，包括包含电驱动单元或内燃机的动力系16，以及支持动力系16和其他车辆部件的功能的其他子系统，例如制动子系统、转向子系统、燃料喷射子系统、排气子系统等。
车辆10可以包括用于检测物体/障碍物、跟踪物体和避开障碍物的检测系统20，其可以用于警告用户、执行避开动作、协助用户控制和/或协助自主控制车辆10。检测系统20可以包括一个或多个雷达设备22。如图1所示，车辆10可以包括多个雷达设备22，这些雷达设备22设置在车身12的各个位置并具有不同的角度方向。
检测系统20的实施例配置成估计物体的角位置。物体可以是反射发射的雷达信号的任何特征或条件，例如其他车辆、人、路标、树木、道路特征、道路障碍物等。
每个雷达设备22可以包括发射和接收功能，这些功能可以由多输入多输出(MIMO)布置中的单独发射和接收天线阵列来执行。每个雷达设备22可以包括部件和特征，例如发射和接收天线阵列、相应的发射和接收雷达前端以及将天线耦合到雷达前端的馈线。雷达前端被理解为包括RF雷达功能和主要在模拟域中执行的其他功能，包括发射信道信号生成以及发射和接收信道调节。RF雷达功能可以包括模拟信号的数字化(例如模数(A/D)和数模(D/A)转换。每个雷达设备还可以包括雷达后端，其被理解为包括数字域雷达功能，包括数字化反射雷达信号的数字信号处理(DSP)。雷达后端功能可能包括模拟信号的数字化(例如模数(A/D)和数模(D/A)转换)。此外，每个雷达设备22经由控制器(例如微控制器单元)或其他处理设备(例如组合逻辑电路)可以执行提供期望功能的一个或多个软件或固件程序。雷达后端处理和功能可以在雷达设备22内部或外部执行，例如通过控制器或其他处理设备。
雷达设备22可以与一个或多个处理设备通信，例如每个雷达设备22中的共同封装的处理设备、机载处理器24或远程处理器26。远程处理器26可以是例如绘图系统或车辆诊断系统的一部分。车辆10还可以包括用户交互系统28和其他部件，例如全球定位系统(GPS)设备。
图2示出了计算机系统30的实施例，其与检测系统20通信或者是检测系统20的一部分，并且可以执行本文描述的实施例的各个方面。计算机系统30包括至少一个处理设备32，其通常包括一个或多个处理器，用于执行本文描述的雷达检测和分析功能。处理设备32可以集成到车辆10中，例如作为车载处理器24，或者可以是与车辆10分离的处理设备，例如服务器、个人计算机或移动设备(例如智能手机或平板电脑)。处理设备32也可被共同封装在雷达设备22中，或者结合到片上系统雷达设备22中，片上系统雷达设备22也可以包括天线阵列、雷达前端和馈线。处理设备32可以配置为执行雷达检测和分析方法以及雷达后端处理，例如包括本文描述的数字波束形成的DSP以及其他功能。
计算机系统30的部件包括处理设备32(例如一个或多个处理器、处理单元或数字信号处理器)和系统存储器34。系统存储器34可以包括各种计算机系统可读介质。这种介质可以是可由处理设备32访问的任何可用介质，并且包括易失性和非易失性介质、可移动和不可移动介质。
例如，系统存储器34可以包括非易失性存储器36，并且还可以包括易失性存储器38。计算机系统30还可以包括其他可移动/不可移动、易失性/非易失性计算机系统/可读存储介质。这里使用的计算机系统/可读存储介质本身不应被解释为瞬态信号，例如无线电波或其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输介质传播的电磁波(例如通过光纤电缆的光脉冲)或通过电线传输的电信号。
系统存储器34可以包括至少一个程序产品，其具有一组(例如至少一个)配置为执行本文描述的实施例的功能的程序模块。例如，系统存储器34存储通常执行本文描述的实施例的功能和/或方法的各种程序模块40。例如，可以包括接收器模块42以执行与获取和处理接收信号相关的功能，并且可以包括分析模块44以执行与位置估计和距离发现相关的功能。系统存储器34还可以存储各种数据结构46，例如存储与雷达检测和分析相关的数据的数据文件或其他结构。这种数据的示例包括采样返回雷达信号、雷达脉冲响应、阵列波束方向图、频率数据、距离-多普勒图、距离图以及物体位置、速度和/或方位数据。如本文所用，术语“模块”是指处理电路，其可以包括专用集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(共享的、专用的或成组的)和执行一个或多个软件或固件程序的存储器、组合逻辑电路和/或提供所述功能的其他合适部件。
处理设备32还可以与一个或多个外部设备48通信，例如键盘、定点设备和/或任何设备(例如网卡、调制解调器等)，其使得处理设备32能够与一个或多个其他计算设备通信。此外，处理设备32可以与可以结合检测系统20使用的一个或多个设备通信，比如GPS设备50和相机52。GPS设备50和相机52可以例如与检测系统20结合使用，用于车辆10的自主控制。与各种设备的通信可以通过输入/输出(I/O)接口54进行。
处理设备32还可以经由网络适配器58与一个或多个网络56通信，比如局域网(LAN)、通用广域网(WAN)和/或公共网络(例如因特网)。应当理解，尽管未示出，但其他硬件和/或软件部件可以与计算机系统30结合使用。示例包括但不限于：微码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动器阵列、RAID系统和数据存档存储系统等。
根据本公开，雷达设备包括MIMO发射(TX)芯片和接收(RX)芯片的基本相同的收发器组。雷达设备包括多个这样的基本相同的收发器组。在每个收发器组内，TX芯片的数量可以大于RX芯片的数量，TX芯片的数量可以小于RX芯片的数量，或者TX芯片的数量可以等于RX芯片的数量。所有收发器组具有相同数量的TX芯片。所有收发器组具有相同数量的RX芯片。所有收发器组在TX芯片和RX芯片之间具有相同的空间布局。如本文所用，芯片通常可以指包括电路元件的半导体管芯，电路元件包括形成在电子级硅(EGS)或其他半导体(比如GaAs)上的天线、部件、导体、膜等。芯片也可以指用于印刷电路板(PCB)安装的一个或多个封装管芯(包括引脚连接)。TX芯片可以至少包括天线的相应TX子阵列、连接迹线以及用于发射信道的雷达前端结构和功能。类似地，RX芯片可以至少包括天线的相应RX子阵列、连接迹线以及用于接收信道的雷达前端结构和功能。所有TX子阵列具有相同数量的TX天线和TX天线的基本相同的空间布局。类似地，所有RX子阵列具有相等数量的RX天线和RX天线的基本相同的空间布局。出于本公开的目的，阵列和子阵列指的是线性阵列和子阵列。TX和RX芯片可能还包括雷达后端结构和功能，包括DSP和MCU。
在一实施例中，参考图3，雷达设备300包括TX和RX芯片303和305的一对收发器组301A和301B。TX和RX芯片的第一收发器组301A和TX和RX芯片的第二收发器组301B基本相同。在本实施例中，每个收发器组包括一个TX芯片303和一个RX芯片305。TX芯片303包括TX雷达前端和馈线(未详细说明)以及天线307的TX子阵列。天线307的TX子阵列包括多个(N)这样的天线307。RX芯片305包括RX雷达前端和馈线(未详细描述)以及RX天线子阵列309。天线309的RX子阵列包括多个(M)这样的天线309。在本示例中，N＝3，M＝4。在一实施例中，TX和RX芯片(例如303和305)可被制造为单独的管芯，并且被单独封装到单独的芯片(包括引脚)中，然后被共同封装到集成雷达设备中，例如通过根据TX和RX芯片(例如303和305)和收发器组(例如301A和301B)之间的期望空间布局安装在公共PCB上。在另一实施例中，TX和RX芯片(例如303和305)可被制造为单独的管芯，但根据TX和RX芯片(例如303和305)之间的期望空间布局被封装到单个收发器芯片(包括引脚)中，并且根据收发器组(例如301A和301B)之间的期望空间布局安装在PCB上。在另一实施例中，TX和RX芯片(例如303和305)可以根据TX和RX芯片(例如303和305)之间的期望空间布局制造在公共管芯上，并且包括在单个收发器芯片(即收发器组)(包括引脚)中并且根据收发器组(301A和301B)之间的期望空间布局安装在PCB上。在另一实施例中，多个收发器组(例如301A和301B)的TX和RX芯片(例如303和305)可以根据TX和RX芯片(例如303和305)和收发器组(例如301A和301B)之间的期望空间布局制造在公共管芯上，并且包括在单个集成芯片(包括引脚)中，该单个集成芯片包括定义所有收发器组并安装在PCB上的所有TX芯片和RX芯片。其他封装实施例是可能的，并且对于本领域普通技术人员来说可能是显而易见的。因此，可以设想，TX和RX芯片可以是被共同封装到集成雷达设备中的分立部件，可被制造为完整或部分片上系统雷达设备的一部分，或者可被结合在不同终端应用可能需要的各种其他集成级别。
如上所述，TX和RX芯片的第一收发器组301A和TX和RX芯片的第二收发器组301B基本相同。因此，所有TX芯片303具有基本相同的空间布局，所有RX芯片305具有基本相同的空间布局。在图3所示的实施例中，TX子阵列天线307以距离D1(TX天线间距)隔开。RX子阵列天线309以距离D2(RX天线间距)隔开。TX芯片303和RX芯片305由TX芯片到RX芯片的距离D3分开。TX和RX芯片的第一收发器组301A和TX和RX芯片的第二收发器组301B偏移或间隔距离D4(收发器组间距)。RX天线间隔距离D2可被建立为大于K*λ的值，其中λ是雷达工作波长。雷达工作波长可以包括发射波长和接收波长中的一个或两个。在一实施例中，K为至少1。在另一实施例中，K是整数。在另一实施例中，K是大于1的整数。为了本公开的目的，在RX天线间隔距离D2处或以上的天线间距被称为宽间隔，而为了本公开的目的，在RX天线间隔距离D2以下的天线间距被称为窄间隔。TX天线间隔距离D1可被建立为等于M*D2，其中M是每个接收芯片305上的RX子阵列天线309的数量。收发器组间隔距离D4可被建立为小于N*D1，其中N是每个TX芯片303上的TX子阵列天线307的数量。TX芯片到RX芯片的距离D3可被任意确定，尽管在TX和RX芯片的第一收发器组301A和TX和RX芯片的第二收发器组301B之间基本相同。通过建立如所述的TX天线间隔距离D1和RX天线间隔距离D2，TX和RX芯片的每个收发器组建立相应的N*M虚拟阵列天线，其由RX天线间隔距离D2基本均匀隔开。通过建立如所述的收发器组间隔距离D4，每个相应的虚拟阵列彼此偏移，并与另一个重叠一定量，由此来自相应虚拟阵列的天线在重叠区域内交替。因此，当虚拟阵列重叠时，各个阵列天线不重叠，而是处于间隔相邻。优选地，相邻的交替天线之间的间隔基本均匀，并且是RX天线间隔距离D2的基本一半。组合地，由TX和RX芯片的第一收发器组301A和TX和RX芯片的第二收发器组301B建立的相应虚拟阵列一起建立组合虚拟阵列，其跨越比来自TX和RX芯片的每个收发器组的单独相应虚拟阵列更宽的孔径，从而提供更高的角度分辨率。值得注意的是，通过建立收发器集间隔距离D4小于N*D1，使得重叠天线以比RX天线间隔距离D2更紧的间距交替，重叠区域可以提供更小的角度模糊度。
如图3所示，TX和RX芯片的第一收发器组301A建立天线的相应第一N*M虚拟阵列311A(交叉阴影填充的虚拟天线307V)，它们基本均匀地间隔开RX天线间隔距离D2。在N＝3和M＝4的本示例性实施例中，虚拟阵列311A具有12个虚拟天线307V。类似地，TX和RX芯片的第二收发器组301B建立天线的相应第二N*M虚拟阵列311B(实心填充的虚拟天线307V)，它们由RX天线间隔距离D2基本均匀地隔开。在N＝3和M＝4的本示例性实施例中，虚拟阵列311B具有12个虚拟天线307V。组合虚拟阵列315包括第一虚拟阵列311A和第二虚拟阵列311B，并且延伸到相应的第一和第二虚拟阵列311A和311B的最外端。第一虚拟阵列311A和第二虚拟阵列311B在重叠区域317中重叠，其中来自相应虚拟阵列的虚拟天线交替。
图4示出了组合虚拟阵列315及其在操作处理流程中的使用，以评估具有高角度分辨率和低角度模糊度的反射雷达信号。组合虚拟阵列315是来自根据本公开配置的雷达设备中使用的TX和RX芯片的所有收发器组的所有虚拟天线的通用组。在利用TX和RX芯片的两个这样的收发器组的本实施例中，组合虚拟阵列包括由TX和RX芯片的第一收发器组301A建立的所有虚拟天线(阴影填充的虚拟天线307V)和由TX和RX芯片的第二收发器组301B建立的所有虚拟天线(实心填充的虚拟天线307V)。第一虚拟子阵列321包括延伸到组合虚拟阵列315的最外部区域的虚拟天线307V和重叠区域317中的虚拟天线307的至少一部分。重叠区域317外部的相邻虚拟天线307V间隔很宽(即等于RX天线间隔距离D2)，而重叠区域317内的相邻虚拟天线间隔很窄(即小于RX天线间隔距离D2)。包括在第一虚拟子阵列321中的重叠区域317内的虚拟天线307V也优选地间隔很宽(即大于或等于RX天线间隔距离D2)。因此，包括在第一虚拟子阵列321中的重叠区域317内的虚拟天线307V不是相邻的虚拟天线。因此，构成第一虚拟子阵列321的虚拟天线307V提供了具有宽间隔虚拟天线307V的宽孔径，其特征在于高角度分辨率但高角度模糊度。第二虚拟子阵列323仅包括重叠区域317中的虚拟天线307V。重叠区域317内的相邻虚拟天线间隔很窄(即小于RX天线间隔距离D2)。因此，构成第二子阵列321的虚拟天线307V提供了窄间隔虚拟天线307V的窄孔径，其特征在于低角度模糊度但低角度分辨率。如本文所用，高和低角度分辨率是相对术语，指一个虚拟子阵列的角度分辨率与另一个虚拟子阵列的角度分辨率相比。同样，如本文所用，高和低角度模糊度是相对术语，指一个虚拟子阵列的角度模糊度与另一个虚拟子阵列的角度模糊度相比。在一实施例中，雷达后端处理可以选择性地将组合虚拟阵列315划分为第一虚拟子阵列321和第二虚拟子阵列323，如所述。可以使用第一子阵列321执行第一波束形成操作，以在331评估反射雷达信号的到达角度。通常，波束形成操作从第一子阵列321的每个虚拟天线接收反射雷达信号，并且针对每个到达角度相干地组合它们。在333示出了对应于来自第一子阵列321上的第一波束形成操作的单个中心定位(0度方位角)目标的反射雷达信号的示例性二维图。来自第一子阵列321的所得波束形成频谱320被图示为沿着竖直轴[dB]的组合强度振幅(相对功率)对沿着水平轴[度]的方位角(到达角度)的图。在示例目标检测图中，主瓣324具有高角度分辨率，这是宽间隔虚拟天线的特征，并且对应于0度的真实目标角度。光栅瓣322和326也是宽间隔虚拟天线的特征，也以与主瓣324基本相似的振幅出现，但在真实目标主瓣上不容易区分，从而在反射雷达信号的真实到达角度和目标位置的估计中引入模糊度。在335，可以使用第二虚拟子阵列323来执行第二波束形成操作，以评估反射雷达信号的到达角度。通常，波束形成操作从第二虚拟子阵列323的每个虚拟天线接收反射雷达信号，并且针对每个到达角度相干地组合它们。在337示出了对应于来自第二虚拟子阵列323上的第二波束形成操作的单个中心定位(0度方位角)目标的反射雷达信号的示例性二维图。来自第二虚拟子阵列323的所得波束形成频谱329被图示为沿着竖直轴[dB]的组合强度振幅(相对功率)对沿着水平轴[度]的方位角(到达角度)的图。在示例目标检测图中，主瓣328对应于0度的真实目标角度。主瓣328具有低角度分辨率，这是窄间隔虚拟天线的特征，但不是模糊的，因为由没有任何角度接近的具有可比振幅的光栅瓣的验证。应用于来自第一子阵列321和第二虚拟子阵列323中的每个的反射雷达信号的波束形成操作可以是任何合适的种类。波束形成的一种示例性方法包括Bartlett波束形成。可以采用其他波束形成方法，作为非限制性示例包括MVDR(Capon)、MUSIC、SAMV、线性预测和机器学习(例如DNN估计)。在339，波束形成频谱320和波束形成频谱329之间的波瓣匹配确定真实的到达角度或目标角度。这可以例如通过来自波束形成频谱320和329的频谱峰值的比较和角度匹配来实现，或者考虑到低角度分辨率波束形成频谱329，通过对高角度分辨率波束形成频谱320进行滤波来实现。真实的到达角度或目标角度对应于高角度分辨率波束形成频谱320的主瓣324，其与低角度分辨率波束形成频谱329的主瓣328的角度匹配。
图5示出了根据本公开的雷达设备500的替代实施例。雷达设备500包括MIMO发射(TX)和接收(RX)芯片的三个基本相同的收发器组。在一实施例中，TX和RX芯片的第一收发器组501A、TX和RX芯片的第二收发器组501B以及第三收发器芯片501C基本相同。每个收发器组包括一个TX芯片503和一个RX芯片505。TX芯片503包括TX雷达前端和馈线(未详细说明)以及天线507的TX子阵列。天线507的TX子阵列包括多个(N)这样的天线507。RX芯片505包括RX雷达前端和馈线(未详细描述)以及天线509的RX子阵列。天线509的RX子阵列包括多个(M)这样的天线509。在本示例中，N＝3，M＝4。参照图3描述的各种芯片制造、封装和集成同样适用于图5所示的实施例。因此，可以想到，TX和RX芯片503、505可以是被共同封装到集成雷达设备中的分立部件，可被制造为完整或部分片上系统雷达设备的一部分，或者可被结合在不同最终用途应用可能需要的各种其他集成级别。
如上所述，TX和RX芯片的第一收发器组501A、TX和RX芯片的第二收发器组501B以及第三收发器芯片501C基本相同。因此，所有TX芯片503具有基本相同的空间布局，所有RX芯片505具有基本相同的空间布局。在图5所示的实施例中，TX子阵列天线507以距离D1(TX天线间距)隔开。RX子阵列天线509以距离D2(RX天线间距)隔开。TX芯片503和RX芯片505由TX芯片到RX芯片的距离D3分开。TX和RX芯片的第一收发器组501A和TX和RX芯片的第二收发器组501B偏移或间隔距离D4(收发器组间距)，TX和RX芯片的第二收发器组501B和TX和RX芯片的第三收发器组501C也间隔相同的收发器组间隔距离D4。RX天线间隔距离D2可被建立为大于K*λ的值，其中λ是雷达工作波长。雷达工作波长可以包括发射波长和接收波长中的一个或两个。在一实施例中，K为至少1。在另一实施例中，K是整数。在另一实施例中，K是大于1的整数。为了本公开的目的，在RX天线间隔距离D2处或以上的天线间距被称为宽间隔，而为了本公开的目的，在RX天线间隔距离D2以下的天线间距被称为窄间隔。TX天线间隔距离D1可被建立为等于M*D2，其中M是每个RX芯片505上的RX子阵列天线509的数量。收发器组间隔距离D4可被建立为小于N*D1，其中N是每个TX芯片503上的TX子阵列天线507的数量。TX芯片到RX芯片的距离D3可被任意确定，尽管在TX和RX芯片的第一收发器组501A、TX和RX芯片的第二收发器组501B和TX和RX芯片的第三收发器组501C中基本相同。通过建立如所述的TX天线间隔距离D1和RX天线间隔距离D2，TX和RX芯片的每个收发器组建立由RX天线间隔距离D2基本均匀间隔开的天线的相应N*M虚拟阵列。通过建立如所述的收发器组间隔距离D4，每个相应虚拟阵列彼此偏移，并与另一个重叠一定量，由此来自相应虚拟阵列的天线在重叠区域内交替。因此，当虚拟阵列重叠时，各个阵列天线不重叠，而是处于间隔相邻。优选地，相邻的交替天线之间的间隔是基本均匀的，并且是RX天线间隔距离D2的基本一半。组合地，由TX和RX芯片的第一收发器组501A、TX和RX芯片的第二收发器组501B以及TX和RX芯片的第三收发器组501C建立的相应虚拟阵列一起建立组合虚拟阵列，其跨越比来自TX和RX芯片的每个收发器组的单独相应虚拟阵列更宽的孔径，从而提供更高的角度分辨率。值得注意的是，通过建立收发器组间隔距离D4小于N*D1，使得重叠天线以比RX天线间隔距离D2更紧的间距交替，重叠区域可以提供更小的角度模糊度。
如图5所示，TX和RX芯片的第一收发器组501A建立天线的相应第一N*M虚拟阵列511A(交叉阴影填充的虚拟天线507V)，它们基本均匀地间隔开RX天线间隔距离D2。在N＝3和M＝4的本示例性实施例中，虚拟阵列511A具有12个虚拟天线507V。类似地，TX和RX芯片的第二收发器组501B建立天线的相应第二N*M虚拟阵列511B(实心填充的虚拟天线507V)，它们基本均匀地间隔开RX天线间隔距离D2。在N＝3和M＝4的本示例性实施例中，虚拟阵列511B也具有12个虚拟天线507V。并且，TX和RX芯片的第三收发器组501C建立天线的相应第二N*M虚拟阵列511C(零填充的虚拟天线507V)，它们基本均匀地间隔开RX天线间隔距离D2。在N＝3和M＝4的本示例性实施例中，虚拟阵列511B也具有12个虚拟天线507V。组合虚拟阵列515是所有虚拟阵列511A、511B和511C的通用组。组合虚拟阵列515包括第一虚拟阵列511A、第二虚拟阵列511B和第三虚拟阵列511C，并且延伸到相应第一和第三虚拟阵列511A和511C的极端区域。第一虚拟阵列511A和第二虚拟阵列511B在重叠区域517中重叠，其中来自相应虚拟阵列的虚拟天线交替。类似地，第二虚拟阵列511B和第三虚拟阵列511C在重叠区域517中重叠，其中来自相应虚拟阵列的虚拟天线交替。
在一实施例中，雷达后端处理可以选择性地将组合虚拟阵列515划分成第一虚拟子阵列，其包括来自第一虚拟阵列511A的所有虚拟天线507V和来自第三虚拟阵列511C的所有虚拟天线507V，从而延伸到组合虚拟阵列515的最外部区域。可以使用该第一虚拟子阵列来执行第一波束形成操作，以评估反射雷达信号的到达角度，如参考图4所述。使用该第一虚拟子阵列执行的第一波束形成操作导致高角度分辨率，这是宽间隔虚拟天线的特征。可以使用第二虚拟子阵列来执行第二波束形成操作，该第二虚拟子阵列包括来自第二虚拟阵列511B的所有虚拟天线507V以及来自第一和第三虚拟阵列511A和511C的与来自第二虚拟阵列511B的虚拟天线507V重叠的那些虚拟天线507V。使用该第二虚拟子阵列执行的第二波束形成操作导致较低的角度分辨率但较小的角度模糊度，这是窄间隔虚拟天线的特征。应用于来自第一和第二虚拟子阵列中的每个的反射雷达信号的波束形成操作可以是参考图4描述的任何合适的种类。总的来说，第一和第二虚拟子阵列可以如参照图4所述进行处理，以匹配各个波束形成频谱之间的瓣，从而确定真实的到达角度或目标角度。
尽管收发器组等效和某些特征一致可能是目标，但影响这一目标的某些公差在实践中可能难以实现。尽管在所有收发器组中的相同数量TX和RX芯片和相应TX和RX芯片内的相同数量的TX天线和RX天线很容易获得，但本领域技术人员应理解，绝对空间同一性或对称性是近似的，并且可以随着设计、生产、制造、装配过程和集成级别而变化。因此，在本领域技术人员的容许范围内考虑的TX天线间距、RX天线间距、TX芯片到RX芯片间距以及收发器间距的变化被理解为是固有的，并且在如本文所用的短语“基本相同”、“基本均匀”和“基本均匀地”的含义内。
这里的实施例可以是任何可能的集成技术细节级别的系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括其上具有计算机可读程序指令的计算机可读存储介质(或多个介质)，用于使处理器执行本文实施例的各方面。
计算机可读存储介质可以是可以保存和存储指令以供指令执行设备使用的有形设备。例如，计算机可读存储介质可以是但不限于电子存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或前述的任何合适的组合。计算机可读存储介质的更具体示例的非穷举列表包括以下：便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备(例如穿孔卡或凹槽中的凸起结构，其上记录有指令)以及上述的任何适当组合。这里使用的计算机可读存储介质本身不应被解释为瞬态信号，例如无线电波或其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输介质传播的电磁波(例如通过光纤电缆的光脉冲)或通过电线传输的电信号。
本文描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到相应的计算/处理设备，或者经由网络例如互联网、局域网、广域网和/或无线网络下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光传输光纤、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配器卡或网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令以存储在相应计算/处理设备内的计算机可读存储介质中。
用于执行这里的实施例的操作的计算机可读程序指令可以是汇编指令、指令集体系结构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微码、固件指令、状态设置数据、集成电路的配置数据，或者是以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言，例如Smalltalk、C++等，以及过程编程语言，例如“C”编程语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以作为独立软件包完全在用户计算机上执行，部分在用户计算机上执行，部分在用户计算机上执行和部分在远程计算机上执行，或者完全在远程计算机或服务器上执行。在后一种情况下，远程计算机可以通过任何类型的网络连接到用户的计算机，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，或者可以连接到外部计算机(例如通过使用互联网服务提供商的互联网)。在一些实施例中，包括例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)的电子电路可以通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化电子电路来执行计算机可读程序指令，以便执行本文实施例的各方面。
本文参考根据本文实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的过程流程图和/或框图来描述本文实施例的各方面。应当理解，过程流程图和/或框图的每个框以及流程图和/或框图中的框的组合可以由计算机可读程序指令来实现。
这些计算机可读程序指令可被提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令创建用于实现流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作的装置。这些计算机可读程序指令也可以存储在计算机可读存储介质中，该计算机可读存储介质可以指导计算机、可编程数据处理设备和/或其他设备以特定方式运行，使得其中存储有指令的计算机可读存储介质包括制品，该制品包括实现流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作的各方面的指令。
计算机可读程序指令还可被加载到计算机、其他可编程数据处理设备或其他设备上，以使得在计算机、其他可编程设备或其他设备上执行一系列操作步骤，从而产生计算机实现的过程，使得在计算机、其他可编程设备或其他设备上执行的指令实现流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作。
附图中的流程图和框图说明了根据各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个框可以表示模块、段或指令部分，其包括用于实现指定逻辑功能的一个或多个可执行指令。在一些可替换的实施方式中，框中标注的功能可以不按照附图中标注的顺序发生。例如，连续示出的两个框实际上可以基本同时执行，或者这些框有时可以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。还将注意到，框图和/或流程图图示的每个框以及框图和/或流程图图示中的框的组合可以由基于专用硬件的系统来实现，该系统执行指定的功能或动作或者执行专用硬件和计算机指令的组合。
本文使用的术语仅仅是为了描述特定的实施例，而不是为了进行限制。如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地另外指出。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定存在所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。
虽然已经参考示例性实施例描述了上述公开，但本领域技术人员将理解，在不脱离其范围的情况下，可以进行各种改变，并且等同物可以替代其元件。此外，在不脱离本公开的基本范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本公开的教导。因此，意图是本公开不限于所公开的特定实施例，而是将包括落入其范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种雷达系统，包括：
多个基本相同的收发器组，每个收发器组包括至少一个相应的发射芯片和至少一个相应的接收芯片；
每个发射芯片包括相应的发射前端、相应的连接迹线和N个基本均匀间隔的发射天线的相应的发射子阵列，其中N是整数；
每个接收芯片包括相应的接收前端、相应的连接迹线和M个基本均匀间隔的接收天线的相应的接收子阵列，其中M是整数；以及
每个收发器组与相邻的收发器组间隔基本相同的距离D4；
其中，每个收发器组建立相应的虚拟天线阵列；并且
其中，由相邻的收发器组建立的相应虚拟天线阵列在重叠区域中至少部分地重叠。
2.根据权利要求1所述的雷达系统：
其中，相应的虚拟天线阵列包括相应的虚拟天线；并且
其中，重叠区域内的虚拟天线处于间隔相邻。
3.根据权利要求1所述的雷达系统：
其中，基本均匀间隔的接收天线间隔距离D2；并且
其中，距离D2是雷达信号的至少一个波长。
4.根据权利要求3所述的雷达系统，其中，所述距离D2是雷达信号的一个波长的整数倍。
5.根据权利要求1所述的雷达系统：
其中，基本均匀间隔的接收天线间隔距离D2；并且
其中，基本均匀间隔的发射天线间隔距离D1＝M*D2。
6.根据权利要求5所述的雷达系统，其中，所述距离D4小于N*D1。
7.根据权利要求1所述的雷达系统，其中，每个基本相同的收发器组的至少一个相应的发射芯片和至少一个相应的接收芯片包括封装到单独芯片中的单独管芯。
8.根据权利要求1所述的雷达系统，其中，每个基本相同的收发器组的至少一个相应的发射芯片和至少一个相应的接收芯片包括封装到单个芯片中的单独管芯。
9.根据权利要求1所述的雷达系统，其中，每个基本相同的收发器组的至少一个相应的发射芯片和至少一个相应的接收芯片包括公共管芯。
10.根据权利要求1所述的雷达系统，其中，所述多个基本相同的收发器组包括公共管芯。
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