CN115728722A - 4d雷达的天线阵列、数据探测方法及4d雷达 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种4D雷达的天线阵列、数据探测方法及4D雷达，属于雷达技术领域。所述天线阵列包括发射天线阵列和接收天线阵列，所述发射天线阵列为稀疏相控阵列，所述接收天线阵列为稀疏MIMO阵列；所述发射天线阵列包括多个第一天线，所述接收天线阵列包括多个第二天线，所述多个第一天线的探测方向为第一方向，所述多个第二天线的探测方向为第二方向，所述第一方向与所述第二方向相互垂直。本申请实施例在减少天线数量的同时能够保证雷达的角分辨率，而且还能够提高雷达探测的性能。

Description

4D雷达的天线阵列、数据探测方法及4D雷达

技术领域

本申请实施例涉及雷达技术领域，特别涉及一种4D雷达的天线阵列、数据探测方法及4D雷达。

背景技术

随着科学技术的发展，雷达探测技术一直朝着高分辨率的方向发展，该高分辨率是指雷达的角分辨率较高。由于雷达的角分辨率与雷达的天线数量相关，雷达的天线数量越多，雷达的角分辨率也会越高，但是，在天线均匀分布的雷达中，由于雷达的天线面板的尺寸有限，因此，通过增加天线数量来提高角分辨率的方法已经遇到了较大的瓶颈，而且，较多的天线数量会使数据量大幅提升，对雷达的处理能力和资源消耗也是巨大的负担。

发明内容

本申请实施例提供了一种4D雷达的天线阵列、数据探测方法及4D雷达，可以解决相关技术的问题。所述技术方案如下：

一方面，提供了一种4D雷达的天线阵列，所述天线阵列包括发射天线阵列和接收天线阵列，所述发射天线阵列为稀疏相控阵列，所述接收天线阵列为稀疏多输入多输出MIMO阵列；

所述发射天线阵列包括多个第一天线，所述接收天线阵列包括多个第二天线，所述多个第一天线的探测方向为第一方向，所述多个第二天线的探测方向为第二方向，所述第一方向与所述第二方向相互垂直。

可选地，所述多个第一天线非等间距排布，所述多个第二天线非等间距排布。

可选地，所述多个第一天线中任意相邻两个天线之间的间距大于或等于半波长，所述多个第二天线中任意相邻两个天线之间的间距大于或等于所述半波长。

可选地，所述多个第一天线沿所述第一方向呈一排分布，所述多个第二天线沿所述第二方向呈一排分布。

可选地，所述第一方向和所述第二方向中的一者为水平方向，另一者为俯仰方向。

另一方面，提供了一种数据探测方法，应用于4D雷达中，所述4D雷达具有上述所述的天线阵列，所述方法包括：

获取多组相位，所述多组相位与多个探测角度一一对应，每组相位包括多个相位，所述多个相位与所述多个第一天线一一对应，所述探测角度为电磁波的中心方向与所述第二方向之间的夹角；

基于所述多组相位，在多个时刻分别通过所述发射天线阵列的各个第一天线发射第一电磁波信号，所述多个时刻与所述多组相位一一对应；

通过所述接收天线阵列中的各个第二天线接收各个时刻的第二电磁波信号的回波信号，所述第二电磁波信号为所述各个第一天线在同一时刻发射的第一电磁波信号进行波束合成后得到的电磁波信号，所述第二电磁波信号在所述第一方向的波束宽度小于所述第一电磁波信号在所述第一方向的波束宽度；

基于发射的各个第一电磁波信号和接收的各个回波信号，确定位于各个探测角度的目标对象的探测数据，所述探测数据包括四个维度的数据。

可选地，所述通过所述接收天线阵列中的各个第二天线接收各个时刻的第二电磁波信号的回波信号，包括：

确定所述接收天线阵列构成的虚拟天线阵列；

通过所述虚拟天线阵列中的各个虚拟天线接收各个时刻的第二电磁波信号的回波信号。

可选地，所述四个维度的数据包括所述目标对象与所述雷达之间的距离、所述目标对象相对于所述雷达的速度、所述目标对象与所述雷达在所述第一方向的相对角度，以及所述目标对象与所述雷达在所述第二方向的相对角度。

可选地，所述多个探测角度包括目标探测角度，所述目标探测角度对应所述多个时刻中的目标时刻；

所述基于发射的各个第一电磁波信号和接收的各个回波信号，确定位于各个探测角度的目标对象的探测数据，包括：

确定各个目标回波信号的接收时间、多普勒频率和相位，所述目标回波信号为所述发射天线阵列在所述目标时刻发射的各个第一电磁波信号所合成的第二电磁波信号的回波信号；

基于所述目标时刻和所述各个目标回波信号的接收时间，确定位于所述目标探测角度的目标对象与所述雷达之间的距离；

基于所述各个目标回波信号的多普勒频率，确定位于所述目标探测角度的目标对象相对于所述雷达的速度；

基于所述各个目标回波信号的相位和所述接收天线阵列的工作中心频率对应的波长，确定位于所述目标探测角度的目标对象与所述雷达在所述第二方向的相对角度。

另一方面，提供了一种4D雷达，所述4D雷达包括发射机、接收机、处理单元以及上述的天线阵列；

所述发射机用于向所述发射天线阵列传输第一射频电信号；

所述发射天线阵列用于将所述第一射频电信号转换为第一电磁波信号，并基于多组相位在多个时刻分别发射所述第一电磁波信号，所述多组相位、所述多个时刻与多个探测角度一一对应，每组相位包括多个相位，所述多个相位与所述多个第一天线一一对应，所述探测角度为电磁波的中心方向与所述第二方向之间的夹角；

所述接收天线阵列用于接收各个时刻的第二电磁波信号的回波信号，并将接收到的回波信号转换为对应的第二射频电信号后传输给所述接收机，所述第二电磁波信号为所述各个第一天线在同一时刻发射的第一电磁波信号进行波束合成后得到的电磁波信号，所述第二电磁波信号在所述第一方向的波束宽度小于所述第一电磁波信号在所述第一方向的波束宽度；

所述接收机用于将所述接收天线阵列传输的第二射频电信号转换为对应的数字信号后传输给所述处理单元；

所述处理单元用于基于所述多个时刻和所述接收机传输的数字信号，确定位于各个探测角度的目标对象的探测数据，所述探测数据包括四个维度的数据。

可选地，所述四个维度的数据包括所述目标对象与所述雷达之间的距离、所述目标对象相对于所述雷达的速度、所述目标对象与所述雷达在所述第一方向的相对角度，以及所述目标对象与所述雷达在所述第二方向的相对角度。

另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述所述数据探测方法的步骤。

另一方面，提供了一种包含指令的计算机程序产品，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行上述所述的数据探测方法的步骤。

本申请实施例提供的技术方案至少可以带来以下有益效果：

由于本申请实施例中的发射天线阵列为稀疏相控阵列，接收天线阵列为稀疏MIMO阵列，稀疏阵列中天线之间的间距并不相等，所以本申请实施例在减少天线数量的同时能够保证雷达的角分辨率。同时，较少的天线数量也会降低数据量，进而降低对雷达的处理能力和资源消耗。而且，因相控阵列技术的固有性能，能够提高雷达探测的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的一种4D雷达的结构示意图；

图2是本申请实施例提供的一种4D雷达的天线阵列的示意图；

图3是本申请实施例提供的一种数据探测方法的流程图；

图4是本申请实施例提供的一种5个探测角度的回波信号的示意图；

图5是本申请实施例提供的一种虚拟天线阵列的示意图；

图6是本申请实施例提供的一种虚拟差分天线阵列的示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。

为了便于理解，在对本申请实施例提供的4D雷达以及数据探测方法进行详细地解释说明之前，先对本申请实施例涉及的术语进行介绍。

天线阵列：按照一定方式将多个天线进行排布后得到的阵列。天线阵列中的天线也可以称为阵元。

相控阵列：在天线阵列中，通过调节天线阵列包括的各个天线发射的电磁波信号的相位，以控制各个天线发射的电磁波信号的角度，进而实现对多个不同角度的目标对象进行探测的雷达技术。比如，本申请实施例中，发射天线阵列为相控阵列，发射天线阵列的探测方向为第一方向，通过控制发射天线阵列中各个天线发射的电磁波信号的相位，能够在第一方向对多个角度的目标对象进行探测。

其中，在本申请实施例中，各个天线发射的电磁波信号为宽波束信号，各个天线发射的电磁波信号在空间中能够合成为一个电磁波信号，而且各个天线发射的电磁波信号在空间中合成的电磁波信号为窄波束信号。也即是，通过相控阵技术，能够使天线发射的宽波束电磁波信号合成为一个窄波束电磁波信号。

MIMO阵列：在发射天线阵列和接收天线阵列均为MIMO阵列的情况下，发射天线阵列中的各个天线和接收天线阵列中的各个天线进行组合能够形成虚拟天线阵列。但是，本申请实施例中，只有接收天线阵列为MIMO阵列，所以本申请实施例中是将接收天线阵列中的各个天线进行组合以形成虚拟天线阵列。这种情况下，接收天线阵列与虚拟天线阵列相同。

稀疏阵列：是指天线阵列不采用传统的均匀方式排布，而是按一定规则在均匀满阵的阵元位置保留或去除阵元，形成稀疏不等距排布。也即是，天线阵列中的相邻两个天线之间的间距不等，且大于或等于半波长，即天线工作中心频率对应的波长的一半。其中，对于均匀排布的方式，相邻两个天线之间的间距相等且为天线工作中心频率对应的波长的一半。

半功率波束宽度：在天线增益下降到视轴(0°方向)增益的50％，也就是相比于最大增益衰减了3dB时两个增益值之间的角度。比如，某个探测角度的最大增益为0dB，那么-3dB处波束上的两个点之间的角度即为半功率波束宽度。

请参考图1，图1是本申请实施例提供的一种4D雷达的结构示意图。该4D雷达包括发射机、发射天线阵列、接收天线阵列、接收机以及处理单元。其中，发射机与发射天线阵列电性连接，接收天线阵列与接收机电性连接，接收机与处理单元电性连接。

发射机也称为射频发射机，用于产生第一射频电信号，并将第一射频电信号传输给发射天线阵列。

发射天线阵列用于将发射机传输的第一射频电信号转换为第一电磁波信号后发射。

接收天线阵列用于接收回波信号，并将接收到的回波信号转换为第二射频电信号后传输给接收机。

接收机用于将接收天线阵列传输的第二射频电信号转换为数字信号，并将该数字信号传输给处理单元。

处理单元用于基于发射天线阵列发射第一电磁波信号的时间和接收机传输的数字信号，确定目标对象的探测数据。

可选地，该4D雷达还可以包括基准时钟源，该基准时钟源分别与发射机和接收机电性连接。该基准时钟源用于控制发射机产生第一射频电信号的时间，而且还用于保证发射机和接收机之间的时钟同步。

其中，基准时钟源可以包括晶体振荡器和外围电路等，本申请实施例对此不作限定。

可选地，该4D雷达还可以包括存储单元，该存储单元用于存储目标对象的探测数据。该存储单元可以为机械硬盘、固态硬盘等等。当然，雷达还可以包括其他更多或更少的部件，上述图1并不构成对本申请实施例的限定。

接下来对发射天线阵列、接收天线阵列和处理单元进行详细的解释说明。

发射天线阵列

发射天线阵列为稀疏相控阵列。发射天线阵列包括多个第一天线，该多个第一天线的探测方向为第一方向。

稀疏是指该多个第一天线中位置相邻的两个第一天线之间的间距不相等，也即是，该多个第一天线非等间距排布。

在一些实施例中，该多个第一天线中任意位置相邻的两个第一天线之间的间距大于或等于天线工作中心频率对应的波长的一半。也即是，该多个第一天线中任意相邻两个天线之间的间距大于或等于半波长。

在一些实施例中，该多个第一天线沿第一方向呈一排分布。当然，该多个第一天线也可以沿第一方向呈多排分布，本申请实施例对此不作限定。

该多个第一天线的位置可以基于4D雷达关于第一方向的性能指标，按照全局优化算法来确定。该性能指标可以为角分辨率。该全局优化算法可以为遗传算法、差分进化算法等等。

需要说明的是，发射天线阵列包括的各个第一天线也可以称为发射天线阵元，该多个第一天线的数量也可以称为发射天线阵列的阵元数量。另外，发射天线阵列包括的各个第一天线可以为宽波束的天线，比如为宽波束的偶极子天线。

由于发射天线阵列为稀疏相控阵列，而且4D雷达可以对多个探测角度的目标对象进行探测，所以，发射天线阵列可以根据该多个探测角度确定多组相位，每组相位包括多个相位，该多个相位与该多个第一天线一一对应。这样，在发射天线阵列将第一射频电信号转换为第一电磁波信号之后，发射天线阵列可以基于该多组相位，在多个时刻分别发射第一电磁波信号。也即是，发射天线阵列可以基于该多组相位在多个不同的时刻发射第一电磁波信号，以对多个探测角度的目标对象进行探测。其中，该多组相位、该多个时刻与该多个探测角度一一对应，探测角度为电磁波的中心方向与第二方向之间的夹角。电磁波的中心方向为电磁波的信号强度最大的方向。

以该多组相位中的任一组相位为例，发射天线阵列将第一射频电信号转换为第一电磁波信号之后，从该多个时刻中确定该组相位对应的时刻，基于该组相位调整第一电磁波信号的相位，进而在该组相位对应的时刻到达时，发射相位调整后的第一电磁波信号，以使每个第一天线发射的第一电磁波信号的相位为该组相位中相应第一天线对应的相位。这样，能够控制各个第一天线在与该组相位对应的探测角度发射第一电磁波信号，而且各个第一天线发射的第一电磁波信号可以在空间合成为第二电磁波信号，第二电磁波信号在第一方向的波束宽度大于第一电磁波信号在第一方向的波束宽度。

在一些实施例中，发射天线阵列中可以包括移相器，通过移相器可以调整第一电磁波信号的相位，从而控制发射天线阵列中各个第一天线发射的第一电磁波信号的相位。也即是，对于该任一组相位，可以通过移相器调整第一电磁波信号的相位，从而控制发射天线阵列中各个第一天线发射的第一电磁波信号的相位为该任一组相位中相应第一天线对应的相位。

比如，发射天线阵列包括8个第一天线，该多个探测角度分别为-30°、-15°、0°、15°、30°。假设，-30°的探测角度对应第一组相位和第一时刻，-15°的探测角度对应第二组相位和第二时刻，0°的探测角度对应第三组相位和第三时刻，15°的探测角度对应第四组相位和第四时刻，30°的探测角度对应第五组相位和第五时刻。在发射天线阵列将第一射频电信号转换为第一电磁波信号之后，可以基于第一组相位，调整第一电磁波信号的相位，并在第一时刻通过该8个第一天线分别发射相位调整后的第一电磁波信号，且这8个第一天线发射的第一电磁波信号的相位为第一组相位中各个第一天线对应的相位，从而控制这8个第一天线发射的第一电磁波信号的角度为-30°，而且，这8个第一天线发射的第一电磁波信号在空间可以合成为第二电磁波信号。

之后，发射天线阵列基于第二组相位，调整第一电磁波信号的相位，并在第二时刻通过该8个第一天线分别发射相位调整后的第一电磁波信号，且这8个第一天线发射的第一电磁波信号的相位为第二组相位中各个第一天线对应的相位，，从而控制这8个第一天线发射的第一电磁波信号的角度为-15°，而且，这8个第一天线发射的第一电磁波信号在空间可以合成为第二电磁波信号。依此类推，当发射天线阵列基于第五组相位，调整第一电磁波信号的相位，并在第五时刻通过该8个第一天线分别发射第一电磁波信号之后，即可在第一方向完成一次扫描。

接收天线阵列

接收天线阵列为稀疏MIMO阵列。接收天线阵列包括多个第二天线，该多个第二天线的探测方向为第二方向。

稀疏是指该多个第二天线中位置相邻的两个第二天线之间的间距不相等，也即是，该多个第二天线非等间距排布。

在一些实施例中，该多个第二天线中任意位置相邻的两个第二天线之间的间距大于或等于天线工作中心频率对应的波长的一半。也即是，该多个第二天线中任意相邻两个天线之间的间距大于或等于半波长。

在一些实施例中，该多个第二天线沿第二方向呈一排分布。当然，该多个第二天线也可以沿第二方向呈多排分布，本申请实施例对此不作限定。

该多个第二天线的位置可以基于4D雷达关于第二方向的性能指标，按照最小冗余阵列或最小有洞阵列的算法来确定。该性能指标可以为角分辨率。

需要说明的是，接收天线阵列包括的各个第二天线也可以称为接收天线阵元，该多个第二天线的数量也可以称为接收天线阵列的阵元数量。

由于发射天线阵列在同一时刻发射的各个第一电磁波信号可以在空间中合成为一个第二电磁波信号，这个第二电磁波信号遇到目标对象之后会进行反射，反射的电磁波信号可以称为第二电磁波信号的回波信号。而且接收天线阵列为稀疏MIMO阵列，因此可以确定接收天线阵列构成的虚拟天线阵列。之后，可以通过虚拟天线阵列中的各个虚拟天线接收第二电磁波信号的回波信号。之后，接收天线阵列可以将各个虚拟天线接收到的第二电磁波信号的回波信号转换为对应的第二射频电信号，并将转换得到的各个第二射频电信号传输给接收机。

基于上述描述的发射天线阵列和接收天线阵列，发射天线阵列的探测方向与接收天线阵列的探测方向相互垂直。也即是，第一方向与第二方向相互垂直。

可选地，第一方向和第二方向中的一者为水平方向，另一者为俯仰方向。即，在第一方向为水平方向的情况下，第二方向为俯仰方向。在第一方向为俯仰方向的情况下，第二方向为水平方向。其中，俯仰方向也可以称为高度方向，或者垂直于水平面的方向。

比如，请参考图2，图2是本申请实施例提供的一种4D雷达的天线阵列的示意图。在图2中，发射天线阵列包括8个第一天线，这8个第一天线的探测方向为俯仰方向，且这8个第一天线沿俯仰方向呈一列分布。而且按照遗传算法确定出各个第一天线之间的间距分别为0.5λ、1.5λ、0.5λ、0.5λ、0.5λ、0.5λ、λ。接收天线阵列包括8个第二天线，这8个第二天线的探测方向为水平方向，且这8个第二天线沿水平方向呈一行分布。而且按照最小冗余阵列算法确定出各个第二天线之间的间距分别为0.5λ、1.5λ、3λ、3λ、1λ、1.5λ、λ。

需要说明的是，发射天线阵列与接收天线阵列位于同一平面内。发射天线阵列与接收天线阵列之间的相对距离可以根据硬件走线确定，本申请实施例对此不作限定，只需要保证发射天线阵列为稀疏相控阵列，接收天线阵列为稀疏MIMO阵列即可。

处理单元

目标对象的探测数据包括目标对象与雷达之间的距离、目标对象相对于雷达的速度、目标对象与雷达在第一方向的相对角度，以及目标对象与雷达在第二方向的相对角度。当然，第一方向和第二方向上还可以包括其他的探测数据，本申请实施例对此不作限定。

由于目标对象与雷达之间的距离取决于第一电磁波信号的发射时间以及第二电磁波信号的回波信号的接收时间，而且，发射机产生第一射频电信号到发射天线阵列发射第一电磁波信号之间的时间极短，可以忽略不计，所以可以直接基于发射机产生第一射频电信号的时间确定第一电磁波信号的发射时间。另外，由于接收天线阵列获取到第二电磁波信号的回波信号之后，将该回波信号转换为第二射频电信号，以及将第二射频电信号转换为数字信号的时间极短，可以忽略不计，所以处理单元可以将接收到的各个数字信号的时间，确定为对应的回波信号的接收时间。

其中，关于目标对象与雷达之间的距离的详细内容将在下文介绍，此处不再展开阐述。

可选地，在雷达包括基准时钟源的情况下，由于基准时钟源能够控制发射机产生第一射频电信号的时间，所以，在基准时钟源控制发射机产生第一射频电信号之后，可以将第一射频电信号的产生时间传输给处理单元。

由于目标对象相对于雷达的速度取决于第二电磁波信号的回波信号的多普勒频率，而接收天线阵列获取到第二电磁波信号的回波信号之后，需要将该回波信号转换为第二射频电信号后传输给接收机，而且接收机还需要将第二射频电信号转换为数字信号后传输给处理单元。因此，处理单元可以基于接收到的数字信号的多普勒频率来确定目标对象相对于雷达的速度。

其中，关于目标对象与雷达之间的速度的详细内容将在下文介绍，此处不再展开阐述。

由于目标对象与雷达在第一方向的相对角度取决于第一电磁波信号的相位，而且在多个探测角度固定的情况下，每个探测角度对应的一组相位也是固定的，并且发射天线阵列可以在多个不同的时刻，在该多个探测角度发射第一电磁波信号。因此，处理单元可以按照相控阵算法确定并存储多组相位，这样，在确定出第一电磁波信号的发射时间之后，即可确定对应的一组相位，从而能够确定出目标对象与雷达在第一方向的相对角度。

也即是，发射天线阵列在多个探测角度发射第一电磁波信号，在各个第一电磁波信号合成为第二电磁波信号后，对各个探测角度的目标对象进行扫描，从而来探测目标对象在第一方向的探测数据。

由于目标对象与雷达在第二方向的相对角度取决于第二电磁波信号的回波信号的波程差，而各个回波信号的波程差又取决于接收天线阵列的工作中心频率对应波长，以及各个回波信号的相位，而接收天线阵列的工作中心频率对应的波长可以事先确定，因此，可以直接获取各个第二天线接收到的回波信号的相位，进而基于接收天线阵列的工作中心频率对应的波长以及各个第二天线接收到的回波信号的相位，确定目标对象与雷达在第二方向的相对角度。

也即是，通过接收天线阵列形成虚拟天线阵列，通过虚拟天线阵列中的各个虚拟天线接收第二电磁波信号的回波信号，从而通过第二电磁波信号的回波信号到达各个虚拟天线的路程不同，来探测目标对象与雷达在第二方向的相对角度。

请参考图3，图3是本申请实施例提供的一种数据探测方法的流程图。该方法应用于雷达中，该方法包括如下步骤。

步骤301：获取多组相位，该多组相位与多个探测角度一一对应，每组相位包括多个相位，该多个相位与发射天线阵列包括的多个第一天线一一对应，该探测角度为电磁波的中心方向与第二方向之间的夹角。

在雷达的多个探测角度固定的情况下，每个探测角度对应的一组相位也是固定的，而且在相控阵算法中，探测角度与每组相位存在对应的关联关系，因此，根据雷达的多个探测角度，按照相控阵算法能够确定出每个探测角度对应的一组相位。

其中，相控阵算法可以参考相关技术，本申请实施例对此不做限定。

步骤302：基于该多组相位，在多个时刻分别通过发射天线阵列中各个第一天线发射第一电磁波信号，该多个时刻与多组相位一一对应。

对于该多组相位中的任一组相位，生成多个第一电磁波信号，该多个第一电磁波信号与该多个第一天线一一对应，且该多个第一电磁波信号的相位与该组相位中该多个第一天线对应的相位一一对应。之后，在该组相位对应的时刻到达时，通过发射天线阵列中的各个第一天线发射对应的第一电磁波信号。

其中，关于步骤302中的相关内容可以参考前文描述，此处不再赘述。

步骤303：通过接收天线阵列中的各个第二天线接收各个时刻的第二电磁波信号的回波信号，第二电磁波信号为各个第一天线在同一时刻发射的第一电磁波信号进行波束合成后得到的电磁波信号，第二电磁波信号在第一方向的波束宽度小于第一电磁波信号在第一方向的波束宽度。

由于发射天线阵列中的各个第一天线在同一时刻发射的第一电磁波信号可以在空间合成为一个第二电磁波信号，第二电磁波信号在第一方向的波束宽度小于第一电磁波信号在第一方向的波束宽度。而且接收天线阵列为稀疏MIMO阵列，这样，第二电磁波信号在该探测角度上遇到目标对象之后会被反射，接收天线阵列构成的虚拟天线阵列中的各个虚拟天线可以接收第二电磁波信号的回波信号。

比如，发射天线阵列包括8个第一天线，该多个探测角度分别为-30°、-15°、0°、15°、30°。以-30°的探测角度为例，发射天线阵列基于-30°的探测角度对应的一组相位，通过该8个第一天线分别发射第一电磁波信号，且这8个第一天线发射的第一电磁波信号的相位为-30°的探测角度对应的一组相位中各个第一天线对应的相位，从而控制这8个第一天线发射的第一电磁波信号的角度为-30°，而且，这8个第一电磁波信号在空间可以合成为第二电磁波信号。之后，接收天线阵列构成的虚拟天线阵列中的各个虚拟天线可以接收第二电磁波信号的回波信号。

步骤304：基于发射的各个第一电磁波信号和接收的各个回波信号，确定位于各个探测角度的目标对象的探测数据，该探测数据包括四个维度的数据。

可选地，该四个维度的数据包括目标对象与雷达之间的距离、目标对象相对于雷达的速度、目标对象与雷达在第一方向的相对角度，以及目标对象与雷达在第二方向的相对角度。当然，第一方向和第二方向上还可以包括其他的探测数据，本申请实施例对此不作限定。

由于位于每个探测角度的目标对象的探测数据的确定方式相同，因此，接下来以其中一个探测角度为例，对目标对象与雷达之间的距离、目标对象相对于雷达的速度、目标对象与雷达在第一方向的相对角度，以及目标对象与雷达在第二方向的相对角度进行介绍。为了便于描述，将该探测角度称为目标探测角度，将该探测角度对应的一组相位称为目标组相位，将该探测角度对应的时刻称为目标时刻。

(1)目标对象与雷达之间的距离

由于雷达发射的电磁波信号遇到目标对象之后会进行反射，该反射的信号可以称为回波信号，而且基于上文描述，目标对象与雷达之间的距离取决于第一电磁波信号的发射时间以及第二电磁波信号的回波信号的接收时间，并且接收天线阵列构成的虚拟天线阵列中各个虚拟天线的位置不同，所以各个虚拟天线接收到的第二电磁波信号的回波信号的时间可能不同。因此，对于虚拟天线阵列中的每个虚拟天线，均能确定出一个回波信号的接收时间。这样，通过第一电磁波信号的发射时间和各个虚拟天线接收到的回波信号的接收时间，能够确定出多个时长，从而可以确定该多个时长的平均值，将该平均值乘以光速，然后除以2，得到位于目标探测角度的目标对象与雷达之间的距离。

由于雷达能够控制产生第一射频电信号的时间，在产生第一射频电信号之后，需要将第一射频电信号转换为第一电磁波信号，而且不同的探测角度之间需要间隔一定的时间来发射第一电磁波信号，也即是，上述多个时刻之间间隔有一定的时间。所以，对于目标探测角度来说，如果目标探测角度为该多个探测角度中首个需要扫描的角度，那么可以直接将第一射频电信号的产生时间确定为目标时刻。如果目标探测角度为该多个探测角度中非首个需要扫描的角度，那么可以基于第一射频电信号的产生时间，以及相邻探测角度之间的时间间隔，确定出目标时刻。

(2)目标对象相对于雷达的速度

由于目标对象相对于雷达的速度取决于第二电磁波信号的回波信号的多普勒频率，且雷达距离目标对象越近，接收天线阵列获取到的回波信号的多普勒频率越高，雷达距离目标对象越远，接收天线阵列获取到的回波信号的多普勒频率越低，而且接收天线阵列构成的虚拟天线阵列中各个虚拟天线接收到的第二电磁波信号的回波信号的多普勒频率可能存在差异。因此，在虚拟天线阵列中各个虚拟天线接收到第二电磁波信号的回波信号，并将各个回波信号转换为第二射频电信号，进而转换为数字信号之后，可以确定各个数字信号的多普勒频率，从而基于该多个数字信号的多普勒频率确定位于目标探测角度的目标对象相对于雷达的速度。

(3)目标对象与雷达在第一方向的相对角度

由于发射天线阵列的探测方向为第一方向，且目标对象与雷达在第一方向的相对角度取决于发射天线阵列中的各个第一天线在多个探测角度发射的第一电磁波信号的相位，所以，对于目标探测角度来说，由于发射天线阵列在目标探测角度发射的各个第一电磁波信号的相位为目标组相位中相应第一天线的相位，因此，可以直接通过目标组相位，按照相控阵算法确定位于目标探测角度的目标对象与雷达在第一方向的相对角度。

其中，按照相控阵算法确定位于目标探测角度的目标对象与雷达在第一方向的相对角度的实现过程可以参考相关技术，本申请实施例对此不做限定。

(4)目标对象与雷达在第二方向的相对角度

由于接收天线阵列为稀疏MIMO阵列，因此，可以基于MIMO测角技术来确定目标对象与雷达在第二方向的相对角度。其中，MIMO测角技术可以为DBF(Digital Beam Forming，数字波束合成)技术或者DOA(Direction of arrival，波达方向定位)技术，当然还可以为其他的测角技术。

以DOA技术为例，由于接收天线阵列的探测方向为第二方向，且目标对象与雷达在第二方向的相对角度取决于第二电磁波信号的回波信号的波程差，而各个回波信号的波程差又取决于接收天线阵列的工作中心频率对应波长，以及各个回波信号的相位，而接收天线阵列的工作中心频率对应的波长可以事先确定，因此，可以直接获取各个第二天线接收到的回波信号的相位，进而基于接收天线阵列的工作中心频率对应的波长以及各个回波信号的相位，确定目标对象与雷达在第二方向的相对角度。

由于本申请实施例中的发射天线阵列为稀疏相控阵列，所以在减少天线数量的同时能够保证雷达的角分辨率。同时，较少的天线数量也会降低数据量，进而降低对雷达的处理能力和资源消耗。而且，因相控阵列技术的固有性能，能够提高雷达探测的性能。比如，该发射天线阵列发射的宽波束电磁波信号在空间合成为窄波束电磁波信号后，由于合成后的电磁波信号的宽度变窄了，所以通过该电磁波信号能够探测到的目标对象较少，这样就不容易将反射较强以及反射较弱的目标对象均探测到，也不会将其他干扰目标反射的噪声信号接收到，从而避免了反射较弱的目标对象被附近反射较强的目标对象所遮挡，而且因为减少了噪声信号，所以提高了探测精度。

另外，由于发射天线阵列为稀疏相控阵列，这样能够缓解速度模糊的问题，提高雷达的探测性能，而且天线的稀疏排布，减少了硬件成本。并且在天线数量降低的同时，能够降低数据量，减少了硬件系统的负担。同时，在有数据备份的需求时，也极大地减少了资源的消耗。

接下来以图2所示的天线阵列为例对本申请实施例进行介绍。请参考图2，发射天线阵列包括8个相位可控的第一天线，这8个第一天线沿垂直(俯仰)方向呈一列排布。接收天线阵列包括8个第二天线，这8个第二天线沿水平方向呈一行排布。

对于发射天线阵列，采用遗传算法作为发射天线阵列的稀疏布局算法，8个第一天线沿着垂直方向排列，8个第一天线中相邻两个第一天线之间的间距为0.5λ、1.5λ、0.5λ、0.5λ、0.5λ、0.5λ、λ。其中，λ为天线工作中心频率对应的波长。对于接收天线阵列，采用最小冗余阵列作为接收天线阵列的稀疏布局算法，8个第二天线中相邻两个第二天线之间的间距为0.5λ、1.5λ、3λ、3λ、1λ、1.5λ、λ。

其中，发射天线阵列中8个第一天线的相位可以通过移相器控制，该移相器的精度可以达到6bit，所以，发射天线阵列中相位的控制精度可以达到6bit。也即是，能够以360°/26＝5.625°的步长控制各个第一天线的相位，比如0°、5.625°、11.25°、……、360°等等。

在垂直方向使用相控阵技术进行目标探测，将8个第一天线发射的宽波束电磁波信号合成为窄波束电磁波信号后在垂直方向进行扫描来实现目标探测。其中，各个第一天线采用宽波束的偶极子天线，其半功率波束宽度为78°。假设，在垂直方向上选取-30°、-15°、0°、15°、30°共5个探测角度(也称为扫描角度)，这样，发射天线阵列发射的电磁波信号经波束合成后的窄波束方向图如图4所示。图4中这5个探测角度对应的半功率波束宽度依次为11.0°、9.7°、9.3°、9.4°与11.0°。根据相控阵技术原理，半功率波束宽度基本近似为垂直方向上相应探测角度的角分辨率，也即是，这5个探测角度的角分辨率依次为11.0°、9.7°、9.3°、9.4°与11.0°。

但是，对于以半波长等间距排布(每相邻两个天线之间的间距相等且为天线工作中心频率对应的波长的一半)且为相控阵的发射天线阵列，同样使用8个第一天线发射电磁波信号，且发射的电磁波信号合成为窄波束电磁波信号后，在-30°、-15°、0°、15°、30°共5个探测角度的半功率波束宽度依次为15.5°、13.7°、12.9°、13.6°与15.4°。

可见，在各个探测角度上，本申请实施例提供的方案能够使半功率波束宽度变窄40％以上，因此在垂直方向上的角分辨率性能也提升了40％以上，实现垂直方向的高分辨率目标探测。

以图5所示，本申请实施例提供的接收天线阵列构成的虚拟天线阵列如图6所示，即，通过MIMO技术形成的虚拟天线阵列与接收天线阵列中各个第二天线之间的间距一致，且符合天线数为8的最小冗余阵列。

根据图5所得的虚拟天线阵列，通过各个虚拟天线之间两两进行位置差分运算，获得虚拟差分阵列如图6所示。比如，记图6中左侧第一个虚拟天线的坐标为(0,0)，那么第三个虚拟天线(4X,0)与左侧第二个虚拟天线(X,0)进行位置差分运算，将得到坐标为(3X,0)的虚拟差分天线(即图6中左侧第四个图像，或者左侧第二个三角形图案的虚拟差分天线)。如此遍历8个虚拟天线中的任意两个，同样进行差分运算，能够得到图6所示的虚拟差分阵列。

根据图6所得的虚拟差分阵列，虚拟天线(共8个)与虚拟差分天线(共16个)的数量之和为24，且各个天线之间无空洞。由于虚拟孔径为天线之间的最大距离，所以可以确定本申请实施例中的虚拟孔径D＝23*0.5λ。

但是，对于以半波长等间距排布且为MIMO阵列的接收天线阵列，同样使用8个第二天线，其虚拟孔径D’＝7*0.5λ。

根据MIMO原理，角分辨率Δθ由以下公式计算：

即角分辨率与天线工作中心频率对应的波长除以虚拟孔径的商成正比。那么，由于本申请实施例的虚拟孔径是相同阵元数的等间距排布的接收天线阵列的虚拟孔径的3倍以上，那么角分辨率也可达到3倍以上，实现了水平方向上的高分辨率目标探测。

在一些实施例中，本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中数据探测方法的步骤。例如，所述计算机可读存储介质可以是ROM、RAM、CD-ROM、磁带、软盘和光数据存储设备等。

值得注意的是，本申请实施例提到的计算机可读存储介质可以为非易失性存储介质，换句话说，可以是非瞬时性存储介质。

应当理解的是，实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过软件、硬件、固件或者其任意结合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。所述计算机指令可以存储在上述计算机可读存储介质中。

也即是，在一些实施例中，还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述所述的数据探测方法的步骤。

应当理解的是，本文提及的“至少一个”是指一个或多个，“多个”是指两个或两个以上。在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“/”表示或的意思，例如，A/B可以表示A或B；本文中的“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，为了便于清楚描述本申请实施例的技术方案，在本申请的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定，并且“第一”、“第二”等字样也并不限定一定不同。

以上所述为本申请提供的实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种4D雷达的天线阵列，其特征在于，所述天线阵列包括发射天线阵列和接收天线阵列，所述发射天线阵列为稀疏相控阵列，所述接收天线阵列为稀疏多输入多输出MIMO阵列；

所述发射天线阵列包括多个第一天线，所述接收天线阵列包括多个第二天线，所述多个第一天线的探测方向为第一方向，所述多个第二天线的探测方向为第二方向，所述第一方向与所述第二方向相互垂直。

2.如权利要求1所述的天线阵列，其特征在于，所述多个第一天线非等间距排布，所述多个第二天线非等间距排布。

3.如权利要求2所述的天线阵列，其特征在于，所述多个第一天线中任意相邻两个天线之间的间距大于或等于半波长，所述多个第二天线中任意相邻两个天线之间的间距大于或等于所述半波长。

4.如权利要求1-3任一所述的天线阵列，其特征在于，所述多个第一天线沿所述第一方向呈一排分布，所述多个第二天线沿所述第二方向呈一排分布。

5.如权利要求1所述的天线阵列，其特征在于，所述第一方向和所述第二方向中的一者为水平方向，另一者为俯仰方向。

6.一种数据探测方法，其特征在于，应用于4D雷达中，所述4D雷达具有权利要求1-5任一所述的天线阵列，所述方法包括：

获取多组相位，所述多组相位与多个探测角度一一对应，每组相位包括多个相位，所述多个相位与所述多个第一天线一一对应，所述探测角度为电磁波的中心方向与所述第二方向之间的夹角；

基于所述多组相位，在多个时刻分别通过所述发射天线阵列中的各个第一天线发射第一电磁波信号，所述多个时刻与所述多组相位一一对应；

通过所述接收天线阵列中的各个第二天线接收各个时刻的第二电磁波信号的回波信号，所述第二电磁波信号为所述各个第一天线在同一时刻发射的第一电磁波信号进行波束合成后得到的电磁波信号，所述第二电磁波信号在所述第一方向的波束宽度小于所述第一电磁波信号在所述第一方向的波束宽度；

基于发射的各个第一电磁波信号和接收的各个回波信号，确定位于各个探测角度的目标对象的探测数据，所述探测数据包括四个维度的数据。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述通过所述接收天线阵列中的各个第二天线接收各个时刻的第二电磁波信号的回波信号，包括：

确定所述接收天线阵列构成的虚拟天线阵列；

通过所述虚拟天线阵列中的各个虚拟天线接收各个时刻的第二电磁波信号的回波信号。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述四个维度的数据包括所述目标对象与所述雷达之间的距离、所述目标对象相对于所述雷达的速度、所述目标对象与所述雷达在所述第一方向的相对角度，以及所述目标对象与所述雷达在所述第二方向的相对角度。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述多个探测角度包括目标探测角度，所述目标探测角度对应所述多个时刻中的目标时刻；

所述基于发射的各个第一电磁波信号和接收的各个回波信号，确定位于各个探测角度的目标对象的探测数据，包括：

确定各个目标回波信号的接收时间、多普勒频率和相位，所述目标回波信号为所述发射天线阵列在所述目标时刻发射的各个第一电磁波信号所合成的第二电磁波信号的回波信号；

基于所述目标时刻和所述各个目标回波信号的接收时间，确定位于所述目标探测角度的目标对象与所述雷达之间的距离；

基于所述各个目标回波信号的多普勒频率，确定位于所述目标探测角度的目标对象相对于所述雷达的速度；

基于所述各个目标回波信号的相位和所述接收天线阵列的工作中心频率对应的波长，确定位于所述目标探测角度的目标对象与所述雷达在所述第二方向的相对角度。

10.一种4D雷达，其特征在于，所述4D雷达包括发射机、接收机、处理单元以及权利要求1-5任一所述的天线阵列；

所述发射机用于向所述发射天线阵列传输第一射频电信号；

所述发射天线阵列用于将所述第一射频电信号转换为第一电磁波信号，并基于多组相位在多个时刻分别发射所述第一电磁波信号，所述多组相位、所述多个时刻与多个探测角度一一对应，每组相位包括多个相位，所述多个相位与所述多个第一天线一一对应，所述探测角度为电磁波的中心方向与所述第二方向之间的夹角；

所述接收天线阵列用于接收各个时刻的第二电磁波信号的回波信号，并将接收到的回波信号转换为对应的第二射频电信号后传输给所述接收机，所述第二电磁波信号为所述各个第一天线在同一时刻发射的第一电磁波信号进行波束合成后得到的电磁波信号，所述第二电磁波信号在所述第一方向的波束宽度小于所述第一电磁波信号在所述第一方向的波束宽度；

所述接收机用于将所述接收天线阵列传输的第二射频电信号转换为对应的数字信号后传输给所述处理单元；

所述处理单元用于基于所述多个时刻和所述接收机传输的数字信号，确定位于各个探测角度的目标对象的探测数据，所述探测数据包括四个维度的数据。

11.如权利要求10所述的4D雷达，其特征在于，所述四个维度的数据包括所述目标对象与所述雷达之间的距离、所述目标对象相对于所述雷达的速度、所述目标对象与所述雷达在所述第一方向的相对角度，以及所述目标对象与所述雷达在所述第二方向的相对角度。

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