CN115728726A - 雷达角度校准系统、雷达芯片及设备 - Google Patents

雷达角度校准系统、雷达芯片及设备 Download PDF

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CN115728726A CN202110981820.3A CN202110981820A CN115728726A CN 115728726 A CN115728726 A CN 115728726A CN 202110981820 A CN202110981820 A CN 202110981820A CN 115728726 A CN115728726 A CN 115728726A
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朱砚
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Abstract

本申请公开了一种雷达角度校准系统、雷达芯片及设备，系统包括：转台和控制器，雷达跟随转台的转动而转动；接收喇叭天线和发射喇叭天线均通过波导与雷达仿真器连接；雷达发射信号，接收喇叭天线接收雷达的发射信号并通过波导将其传输至雷达仿真器；雷达仿真器根据接收的信号模拟回波信号并通过波导传输至发射喇叭天线，发射喇叭天线将回波信号发射以使雷达接收；控制器通过转台以预设角度步长逐渐改变发射信号的角度来获得不同来波方向的信号源对应的接收天线阵列的空间响应，根据不同来波方向的信号源对应的空间响应获得接收天线阵列的空间响应矩阵，能够准确对雷达角度进行校准。

Description

雷达角度校准系统、雷达芯片及设备
技术领域
本申请涉及雷达技术领域，尤其涉及一种雷达角度校准系统、雷达芯片及设备。
背景技术
随着智能驾驶的不断发展，越来越多的车辆需要安装雷达来进行障碍物的识别。因此，雷达对于障碍物识别的精准度直接决定了车辆自动驾驶的性能。雷达包括天线阵列，天线阵列包括多个天线单元。对于天线阵列的远场，可以近似认为天线阵列的空间响应基本与距天线阵列的距离无关，而只与相对天线阵列的角度有关。
为了使雷达在实际工作时精准获得障碍物(以下简称信号源)的位置，需要雷达对信号源的角度进行测量，雷达对于角度测量的性能很大程度依赖于接收天线阵列的空间响应是否准确，因此，需要对雷达的接收天线阵列的空间响应进行校准。
接收天线阵列的空间响应是一个导向矢量矩阵，包括天线阵列中每个天线单元接收到来自远场的同一信号源的幅度相位响应。理想情况下，接收天线阵列中所有天线单元的幅度响应相同，只是相位响应不同，而且相位响应只与信号源相对于天线阵列的角度(来波方向)以及天线单元在天线阵列中的位置有关。
现有技术中一种方式是，在一个面积较大的毫米波暗室，设置角度反射器、雷达和转台，其中角度反射器作为信号源，雷达被设置在转台上，控制转台旋转进而使雷达旋转，达到雷达不动，信号源转动的效果。雷达发射电磁波信号，信号遇到角反射器产生回波信号，由于角反射器具有特殊的反射特性，角反射器产生的回波信号到达雷达的角度等于雷达的发射信号入射角反射器的角度。因此可以控制信号入射角度来间接控制产生不同来波方向的信号，其中入射角度可以通过转台转动雷达来实现。
以上这种方式的缺点是，角反射器是无源器件，为了保证回波信号的强度，需要设置尺寸较大的角反射器作为信号源，但是尺寸较大的角反射器会产生多个反射点，影响校准的准确性，另外暗室的尺寸限制了对远距离目标的角度校准，产生局限性。
发明内容
为了解决以上技术问题，本申请提供一种雷达角度校准系统、雷达芯片及设备，能够准确对雷达角度进行校准。
本申请实施例提供的一种雷达角度的校准系统，应用于具有接收天线阵列的雷达上，校准系统包括：雷达仿真器、接收喇叭天线、发射喇叭天线、转台和控制器；
所述雷达设置在所述转台上，所述雷达跟随所述转台的转动而转动；
所述接收喇叭天线和所述发射喇叭天线均通过波导与所述雷达仿真器连接；
所述雷达发射信号，所述接收喇叭天线接收所述雷达的发射信号并通过波导将其传输至所述雷达仿真器；所述雷达仿真器根据接收的信号模拟回波信号并通过所述波导传输至所述发射喇叭天线，所述发射喇叭天线将所述回波信号发射以使所述雷达接收；
所述控制器，用于通过所述转台驱动雷达以预设角度步长逐渐改变所述发射信号的角度来获得不同来波方向的信号源对应的所述接收天线阵列的空间响应，根据所述不同来波方向的信号源对应的所述空间响应获得所述接收天线阵列的空间响应矩阵。
优选地，所述控制器，具体用于在每个所述来波方向获得所述接收天线阵列中每个天线单元分别接收的回波信号，对每个所述回波信号进行傅里叶变换获得所述每个天线单元的回波信号的频率响应，根据所述每个天线单元的回波信号的频率响应分别获得所述每个天线单元的相位响应，根据所述每个天线单元的相位响应获得所述接收天线阵列的空间响应。
优选地，所述控制器，具体用于获得所述每个天线单元在第一来波方向的第一相位响应和第二来波方向的第二相位响应，所述第一来波方向和所述第二来波方向相差所述预设角度步长；利用所述第一相位响应和所述第二相位响应进行插值获得处于所述第一来波方向和所述第二来波方向之间的x个插值角度对应的相位响应，所述x为正整数；获得插值后的空间响应矩阵。
优选地，所述控制器，具体用于通过以下公式进行插值：
Figure BDA0003229279530000021
w0表示每个天线单元在第一来波方向θ0上的相位响应；
wn表示每个天线单元在第二来波方向θn上的相位响应；
θx＝θ0+x*Δθ
Figure BDA0003229279530000022
N表示在第一来波方向和第二来波方向之间等间隔分为N份，N份对应x个插值角度，x＝1,2,…,N-1；N为大于等于2的整数。
优选地，所述控制器，具体用于通过以下公式进行插值：
Figure BDA0003229279530000023
w0表示每个天线单元在第一来波方向θ0上的相位响应；
wn表示每个天线单元在第二来波方向θn上的相位响应；
θx＝θ0+x*Δθ
Figure BDA0003229279530000024
N表示在第一来波方向θ0和第二来波方向θn之间等间隔分为N份，N份对应x个插值角度，x＝1,2,…,N-1；N为大于等于2的整数。
优选地，还包括：存储器；
所述控制器，具体用于将所述插值后的空间响应矩阵存储在存储器，当需要对雷达角度进行校准时从所述存储器获得所述插值后的空间响应矩阵。
优选地，还包括：存储器；
所述控制器，具体用于将插值前的空间响应矩阵存储在所述存储器；当需要对雷达角度进行校准时从所述存储器获得插值前的空间响应矩阵，对插值前的空间响应矩阵进行插值获得插值后的空间响应矩阵。
本申请实施例还提供一种雷达芯片，包括：处理器和存储器；
所述存储器，用于存储所述校准系统获得的所述接收天线阵列的空间响应矩阵；
所述处理器，用于将雷达获得的待测信号与所述存储器中存储的所述接收天线阵列的空间响应矩阵进行匹配，从所述接收天线阵列的空间响应矩阵中获得与所述待测信号匹配的相位响应，根据所述待测信号的相位响应获得所述待测信号的角度。
本申请实施例还提供一种雷达芯片，包括：处理器和存储器；
所述存储器，用于存储所述校准系统获得的所述接收天线阵列的空间响应矩阵；
所述处理器，用于获得所述每个天线单元在第一来波方向的第一相位响应和第二来波方向的第二相位响应，所述第一来波方向和所述第二来波方向相差所述预设角度步长；利用所述第一相位响应和所述第二相位响应进行插值获得处于所述第一来波方向和所述第二来波方向之间的x个插值角度对应的相位响应，所述x为正整数；获得插值后的空间响应矩阵；将雷达获得的待测信号与所述插值后的空间响应矩阵进行匹配，从所述接收天线阵列的空间响应矩阵中获得与所述待测信号匹配的相位响应，根据所述待测信号的相位响应获得所述待测信号的角度。
优选地，
所述处理器，具体用于通过以下公式进行插值：
Figure BDA0003229279530000031
w0表示每个天线单元在第一来波方向θ0上的相位响应；
wn表示每个天线单元在第二来波方向θn上的相位响应；
θx＝θ0+x*Δθ
Figure BDA0003229279530000032
N表示在第一来波方向和第二来波方向之间等间隔分为N份，N份对应x个插值角度，x＝1,2,…,N-1；N为大于等于2的整数。
优选地，所述处理器，具体用于通过以下公式进行插值：
Figure BDA0003229279530000033
w0表示每个天线单元在第一来波方向θ0上的相位响应；
wn表示每个天线单元在第二来波方向θn上的相位响应；
θx＝θ0+x*Δθ
Figure BDA0003229279530000034
N表示在第一来波方向θ0和第二来波方向θn之间等间隔分为N份，N份对应x个插值角度，x＝1,2,…,N-1；N为大于等于2的整数。
本申请还提供一种设备，包括：设备本体；以及设置于设备本体上的雷达芯片；
其中，所述无线电器件雷达芯片用于目标检测。
本申请至少具有以下优点：
本申请实施例提供的雷达角度的校准系统，控制器通过改变转台的角度来驱动雷达转动，改变雷达的角度，进而模拟雷达不动而信号源在转动，测量雷达在每个角度时接收天线阵列的相位响应，进而获得各个来波方向的空间响应矩阵，即本申请实施例提供的校准系统是通过逐个测量来波方向的空间响应，直至获得雷达的FOV范围内所有来波方向上的空间响应，从而构成空间响应矩阵。由于本实施例提供的方案是逐个角度进行校准，因此，也可以称为逐点校准，由于本方案校准的准确度较高，因此，可以认为可以直接利用获得的空间响应矩阵来进行角度的校准。例如可以将空间响应矩阵存储起来进行角度的测量。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种雷达角度的校准系统的示意图；
图2为本申请实施例提供的逐点校准与现有技术的线性拟合的对比曲线图；
图3为本申请实施例提供的又一种校准系统的示意图；
图4为本申请实施例提供的再一种校准系统的示意图；
图5为本申请实施例提供的一种雷达芯片的示意图；
图6为本申请实施例提供的另一种雷达芯片的示意图。
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描述。
以下说明中的“第一”、“第二”等用词仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。此外，术语“耦接”可以是实现信号传输的电性连接的方式。“耦接”可以是直接的电性连接，也可以通过中间媒介间接电性连接。
为了使本领域技术人员更好地理解本申请实施例提供的技术方案，下面先介绍本领域的技术术语。
天线阵列(Antenna Array)，由不少于两个相同的单个天线按一定规律排列组成的天线系统。其中每个独立单元称为阵元或天线单元。如果阵元排列在一直线或一平面上，则成为直线阵列或平面阵。
天线阵列的远场(Far Field)，假定r为发射天线阵列与待测目标的距离，则当r≥2D2/λ时(λ为电磁波波长，D为天线阵列的尺寸)，可近似认为投射到待测目标上的电磁波是平面电磁波，并且天线阵列的辐射场强度角分布基本与距天线阵列的距离无关。同样，接收天线阵列与待测目标的距离也满足这一要求时，接收天线阵列接收到的也将是待测目标的散射远场。
接收天线阵列空间响应(Array Spatial Response)，接收天线阵列的导向矢量矩阵(Array Steering Vector Matrix)，接收天线阵列中每个天线单元接收到来自远场的同一目标的幅度相位响应。理想情况下，接收天线阵列中所有天线单元的幅度响应相同，只是相位响应不同，而且相位响应只与目标相对天线阵列的角度(来波方向)，以及天线单元在阵列中的位置有关。
阵列天线校准(Array calibration)，在毫米波雷达系统中的接收天线阵列，由于一些非理想的因素，会导致实际天线阵列的空间响应与按照理论设计的天线阵列的空间响应有比较大的误差，这时就需要测量出这些误差，并进行补偿，以保证解角算法能够得到准确的角度测量。这些误差包括收发电路之间耦合引入的相位误差，天线之间耦合产生的幅度误差，相位误差以及天线单元的位置误差等。
到达角或来波方向(DOA，Direction of Arrival)；
雷达能覆盖的角度范围(FOV，Filed of View)。
为了得到准确的天线阵列的空间响应，现在主要有以下这些技术：
1)最大似然校准；
2)最小平方校准；
3)线性拟合。
现有这些校准方法的数学模型如下：
x＝As+n (1)
矩阵A：代表理想情况下的天线阵列的空间响应，它是由天线阵列中各阵元的位置Ψ以及信号源相对雷达的角度(来波方向)θ确定。
A(Ψ)＝[a(Ψ，θ1)a(Ψ，θ2)…a(Ψ，θd)]
θi(i＝1，2，…，d)表示对所有来波方向的d个采样；
向量a(Ψ,θi)：代表理想情况下的天线阵列在来波方向θi的空间响应。
Figure BDA0003229279530000051
l:表示天线阵列中天线单元的数目；
ω0：来波的中心频率；
标量τk(θi)：代表理想情况下来波方向θi的信号到达天线单元k的时间延迟。c:代表电磁波传播的速度，此为光速。
τk(θi)＝(1/c)(xksinθi+ykcosθi)
向量Ψ：代表理想情况下天线阵列中所有天线单元的位置。
Ψ＝[x0 x1…xl y0 y1…yl]T
向量s：不同来波方向的信号源；
向量n：噪声；
向量x：每个天线单元上的接收信号；
矩阵Ae：代表实际情况下的天线阵列的空间响应。它与理想情况下的天线阵列的空间响应A存在如下关系：
Ae＝ΓA(Ψ) (2)
矩阵Γ：表示误差矩阵；
Γ-1：矩阵Γ的逆矩阵，代表校验矩阵，用矩阵G表示；
矩阵
Figure BDA0003229279530000052
代表通过实验测量到的实际情况下的天线阵列的空间响应；
对于最小平方校准得到的校验矩阵G，需要满足使得
Figure BDA0003229279530000053
最小。为了使得G有唯一解，通常需要实验测量天线阵列在至少天线单元数目的不同来波方向的空间响应。这种校准方法考虑了幅度、相位以及接受通道之间耦合带来的误差，但是没有考虑实际天线制造时，天线位置可能与理想值之间的误差。所以不会最优。
最大似然校准将天线位置Ψ的误差也考虑在内，对误差矩阵Γ和天线位置Ψ联合求解，最后解得Γ和Ψ，需要使得
Figure BDA0003229279530000061
最小。这种方法相对最小平方校准方法，理论上是最优的。但是为了解得Γ和Ψ，通常需要实验测量天线阵列在更多不同来波方向的空间响应，校准时间更长，并且求解的复杂度高，有时甚至不能得到最优解，实用性不高。
线性拟合是一种只考虑相位误差的校准方法，相位误差可以是由于天线位置Ψ误差导致，也可能是收发机内部电路引入的。由实验测量到实际情况下天线阵列的空间响应
Figure BDA0003229279530000062
通过线性拟合求出Γ(必须是对角阵)和Ψ。这种方法可认为是最大似然校准的简化版本，求解简单，在实际中有比较广泛的应用。但是由于简化了误差的模型，实际情况下的天线阵列的空间响应随来波方向之间的关系一般并不能很好的满足这种线性关系，并且当来波方向覆盖的越大，这种线性关系往往越难保证，从而导致在不同来波方向的校准误差不同，整体测角性能并不是很理想。
本申请实施例提供一种雷达角度的校准系统，即获得雷达的接收天线阵列的空间响应矩阵，该方案可以直接获得以上公式(2)中的Ae。
下面结合附图详细介绍本申请实施例提供的技术方案的实现方式。
参见图1，该图为本申请实施例提供的一种雷达角度的校准系统的示意图。
本实施例提供的雷达角度的校准系统可以设置在毫米波暗室1000内，该校准系统应用于具有接收天线阵列的雷达10上。
该校准系统包括：雷达仿真器30、发射喇叭天线40、接收喇叭天线50、转台20和控制器(图中未示出)；应该理解接收天线阵列包括多个天线单元。
雷达10设置在转台20上，雷达10跟随转台20的转动而转动；控制器可以控制转台20转动，雷达10可以与转台20固定连接，当转台20转动时，雷达10可以同步跟随转台20转动。其中转台20可以实现360度全方位的旋转。本实施例中，控制器控制转台20转动带动雷达10转动目的是模拟出雷达不动而信号源在动的场景，从而模拟信号源在雷达10的不同方位，即不同角度，不同来波方向。
发射喇叭天线40和接收喇叭天线50均通过波导与雷达仿真器30连接。
发射喇叭天线40和接收喇叭天线50均具有良好的定向性。
雷达10用于发射信号，接收喇叭天线50接收雷达10的发射信号并通过波导将其传输至雷达仿真器30；雷达仿真器30根据接收的信号模拟回波信号并通过波导传输至发射喇叭天线40，发射喇叭天线40将回波信号发射以使雷达10接收。
雷达仿真器30可以模拟远近不同距离，可以模拟能量可以控制的信号源，控制器通过转台控制雷达的转动角度，便可以得到任意信号源在任意需要的来波方向的校准源信号，从而满足雷达的角度校准的需求。
控制器，用于通过转台20驱动雷达以预设角度步长逐渐改变发射信号的角度来获得不同来波方向的信号源对应的接收天线阵列的空间响应，根据不同来波方向的信号源对应的空间响应获得接收天线阵列的空间响应矩阵。
空间响应矩阵包括多列，每列都对应一个相位，角度是通过相位差来获得的。转台转动时对应一个角度，每个角度下都会得到空间响应矩阵，因此，最终利用空间响应矩阵进行角度测量时，由于空间响应矩阵与角度是一一对应的关系，因此，可以从存储的多个空间响应矩阵中去匹配，匹配到空间响应矩阵以后，利用空间响应矩阵与角度的一一对应的关系，就可以获得该空间响应矩阵对应的角度，从而雷达可以获得待测目标(信号源)的角度。
其中，预设角度步长可以根据实际需要来设置，应该理解，预设角度步长设置的越小，则接收天线阵列的空间响应越精确，为了获得足够精确的接收天线阵列的空间响应则可以设置足够小的预设角度步长，即控制转台转动的角度每次改变预设角度步长，获得每个角度对应的空间响应矩阵。另一方面，预设角度步长设置的越小，则校准过程耗时越长，校准获得的数据量越大，因此，可以根据实际需要在数据量和精度之间进行平衡来选择预设角度步长的大小。例如，预设角度步长可以为1度，也可以为2度等。
本申请实施例提供的方案是改变转台的角度，对雷达的接收天线阵列的逐个来波方向的空间响应进行测量，直至获得雷达的FOV范围内所有来波方向上的空间响应，从而构成空间响应矩阵
Figure BDA0003229279530000073
由于本实施例提供的方案是逐个角度进行校准，因此，也可以称为逐点校准，由于本方案校准的准确度较高，因此，可以认为获得的空间响应矩阵
Figure BDA0003229279530000074
等于Ae，即可以直接利用获得的空间响应矩阵来进行角度的校准。例如可以将空间响应矩阵存储起来，不需要复杂的运算去求解误差矩阵Γ和天线单位的位置Ψ，也不需要利用以上的公式(2)来求解实际的天线阵列的空间响应。
从图2可以看出本申请提供的校准系统得到的空间响应矩阵来测量信号源的角度与线性拟合校准得到的空间响应矩阵来测量信号源的角度的对比情况。
其中，曲线A表示现有技术利用线性拟合进行角度校准的误差情况，可以看出，线性拟合的误差较大，在0的上下均有明显的波动，有的角度为正的，有的角度为负的，最大偏差角度的绝对值超过0.4度。
曲线B表示本申请提供的逐点校准的方案，可以看出，误差波动较小，均在0附近波动，最大偏差角度的绝对值小于0.1度，该技术方案校准的角度更加准确，优势比较明显。
下面具体介绍本申请实施例提供的校准系统获得空间响应矩阵的过程。
由于接收天线阵列包括多个天线单元，因此，空间响应矩阵包括每个天线单元的空间响应，下面介绍每个天线单元的空间响应的获得。由于多个天线单元的位置不同，因此，同一个信号源反射的信号到达不同天线单元时存在波程差，进而对应多个相位差。
控制器，具体用于在每个来波方向获得接收天线阵列中每个天线单元分别接收的回波信号，对每个回波信号进行傅里叶变换获得每个天线单元的回波信号的频率响应，根据每个天线单元的回波信号的频率响应分别获得每个天线单元的相位响应，根据每个天线单元的相位响应获得接收天线阵列的空间响应。
考虑到角度测量的精度与预设角度步长的密切关系，通常预设角度步长为x°，则角度测量的误差会位于[-x°/2，x°/2]，因此如果降低角度测量误差，通常需要设置很小的预设角度步长，这样就需要测量更多数量的来波方向的空间响应，导致校准时间很长或者占用的存储空间很大。
由于本申请实施例提供的校准系统是逐个角度进行测量，为了尽量缩短测量时间，同时又能保证测量角度的准确度，可以利用插值方式来对角度进行插值，下面介绍本申请实施例提供的两种插值的实现方式。
控制器利用获得的两个相邻的角度对应的相位响应进行插值，获得插值对应的相位响应，本申请实施例不限定两个相邻的测量角度之间被插值的角度的个数，可以为一个，也可以为多个。控制器具体用于获得每个天线单元在第一来波方向的第一相位响应和第二来波方向的第二相位响应，第一来波方向和第二来波方向相差预设角度步长，即第一来波方向和第二来波方向是测量时两个相邻的角度；利用第一相位响应和第二相位响应进行插值获得处于第一来波方向和第二来波方向之间的x个插值角度对应的相位响应，x为正整数，即x为两个相邻的来波方向之间被插值的角度个数；获得插值后的空间响应矩阵。
第一种插值方式：
控制器通过以下公式进行插值：
Figure BDA0003229279530000081
w0表示每个天线单元在第一来波方向θ0上的相位响应；
wn表示每个天线单元在第二来波方向θn上的相位响应；
θx＝θ0+x*Δθ
Figure BDA0003229279530000082
N表示在第一来波方向和第二来波方向之间等间隔分为N份，N份对应x个插值角度，x＝1,2,…,N-1；N为大于等于2的整数。
以上第一种插值方式是直接利用相位响应作差来获得插值的相位响应，该方式的计算方式简单，可以更快速地获得被插值的来波方向对应的相位响应。
第二种插值方式：
控制器通过以下公式进行插值：
Figure BDA0003229279530000083
w0表示每个天线单元在第一来波方向θ0上的相位响应；
wn表示每个天线单元在第二来波方向θn上的相位响应；
θx＝θ0+x*Δθ
Figure BDA0003229279530000084
N表示在第一来波方向θ0和第二来波方向θn之间等间隔分为N份，N份对应x个插值角度，x＝1,2,…,N-1；N为大于等于2的整数。
以上第二种提供的差值方式是利用相位响应的正弦的差来获得插值的相位响应，计算方式较第一种计算稍微复杂，但是插值获得的相位响应更准确，更接近测量的角度。
参见图3，该图为本申请实施例提供的又一种校准系统的示意图。
另外，本申请实施例提供的校准系统，还可以包括：存储器70；存储器70用于存储控制器60获得的插值后的空间响应矩阵。可以理解，雷达上的接收天线阵列的空间响应矩阵是预先获得的，雷达在实际使用过程中，可以直接使用预先获得的空间响应矩阵来检测信号源的来波方向。
为了雷达实际使用时更迅速地获得信号源的来波方向，即角度，控制器60可以将插值后可以直接使用的空间响应矩阵存储在存储器70中，控制器60直接调用即可。即控制器60，具体用于将插值后的空间响应矩阵存储在存储器70，当需要对雷达角度进行校准时从存储器70获得插值后的空间响应矩阵。
参见图4，该图为本申请实施例提供的再一种校准系统的示意图。
另外，还有一种可能的实现方式是，控制器60将插值前的空间响应矩阵存储在存储器70；控制器60需要对雷达角度进行校准时，才从存储器70获得插值前的空间响应矩阵，对插值前的空间响应矩阵进行插值获得插值后的空间响应矩阵，利用插值后的空间响应矩阵测量信号源的角度，例如雷达设置在车辆上，利用雷达上的接收天线阵列可以准确检测周围障碍物相对于雷达的角度，即准确测量来波方向，进而指导汽车进行障碍物避让，由于该雷达可以准确获得障碍物相对于雷达的角度，因此可以准确指导自动驾驶汽车的行驶。
基于以上实施例提供的一种雷达角度校准系统，本申请实施例还提供一种雷达芯片，下面结合附图进行详细介绍。
应该理解，本申请实施例中的雷达可为AiP(Antenna in Package，封装天线)或芯片，也可为AoC(Antenna on Chip，片上天线)等，也可为包括雷达芯片和接收天线阵列的结构，即雷达芯片用于对接收天线阵列进行控制，控制接收天线阵列进行信号的发射和接收，进而实现雷达对于障碍物的检测。本申请实施例提供的雷达芯片包括处理器和存储器，其中存储器中可以存储以上实施例提供的校准系统已经获得的插值前的空间响应矩阵，也可以存储以上校准系统获得的插值后的空间响应矩阵，下面分别来介绍。
需要注意的是，若雷达芯片为SoC芯片，也可利用该雷达芯片对每个回波信号进行傅里叶变换获得每个天线单元的回波信号的频率响应，来根据每个天线单元的回波信号的频率响应分别获得每个天线单元的相位响应，并根据每个天线单元的相位响应获得接收天线阵列的空间响应，以及得到后续空间响应矩阵操作等步骤。即以上校准系统中控制器获得接收天线阵列的空间响应以及空间响应矩阵的部分均可以由SoC芯片来获得。
参见图5，该图为本申请实施例提供的一种雷达芯片的示意图。
本实施例提供的雷达芯片，包括：处理器501和存储器502。
本实施例提供的存储器，可用于预先存储以上校准系统获得的接收天线阵列的空间响应矩阵；该空间响应矩阵可以为插值前的空间响应矩阵，也可以为插值后的空间响应矩阵。如果存储器502存储的为插值前的空间响应矩阵，则雷达在使用时，雷达芯片测量来波方向的角度可能会稍微不准确，但是相比于现有技术也是准确的。另外，如果插值前的空间响应矩阵在校准时预设角度步长设置的足够小，便不必插值，也可以获得精确的空间响应矩阵，利用该精确的空间响应矩阵获得的来波方向也是准确的。如果存储器502中存储的是插值后的空间响应矩阵，则雷达测量角度时，直接利用插值后的空间响应矩阵来获得来波方向。
处理器501，用于将雷达获得的待测信号与所述存储器中存储的所述接收天线阵列的空间响应矩阵进行匹配，从所述接收天线阵列的空间响应矩阵中获得与所述待测信号匹配的相位响应，根据待测信号的相位响应获得待测信号的角度。
应该理解，由于存储器中存储的空间响应矩阵的每一列与来波方向具有一一对应的关系，当雷达实际使用时，处理器501也会获得当前雷达检测的信号源(即模拟的回波信号)对应的空间响应向量，将当前检测的空间响应向量与存储器502存储的各个来波方向的空间响应向量进行匹配，即获得不同来波方向的能量值，并将能量最大的来波方向作为当前雷达测量得到的来波方向。
由于该雷达芯片的存储器中保存有校准后的空间响应矩阵，因此，可以更加精确地获得雷达测量的来波方向。
以上介绍的雷达芯片包括的存储器可以存储插值前的空间响应矩阵，在实际使用时，雷达芯片的处理器可以根据插值前的空间响应矩阵进行插值，获得插值后的空间响应矩阵。应该理解，处理器也可以不获得插值后的空间响应矩阵，直接利用插值前的空间响应矩阵来进行角度检测，只有校准系统在角度校准时，预设角度步长设置的足够小，获得的空间响应矩阵足够精确即可。
参见图6，该图为本申请实施例提供的另一种雷达芯片的示意图。
本实施例还提供一种雷达芯片，包括：处理器501和存储器502；
存储器502用于存储校准系统获得的接收天线阵列的空间响应矩阵；
处理器501用于获得所述每个天线单元在第一来波方向的第一相位响应和第二来波方向的第二相位响应，所述第一来波方向和所述第二来波方向相差所述预设角度步长；利用所述第一相位响应和所述第二相位响应进行插值获得处于所述第一来波方向和所述第二来波方向之间的x个插值角度对应的相位响应，所述x为正整数；获得插值后的空间响应矩阵；将雷达获得的待测信号与所述插值后的空间响应矩阵进行匹配，从所述接收天线阵列的空间响应矩阵中获得与所述待测信号匹配的相位响应，根据所述待测信号的相位响应获得所述待测信号的角度。
第一种插值方式：
处理器501通过以下公式进行插值：
Figure BDA0003229279530000101
w0表示每个天线单元在第一来波方向θ0上的相位响应；
wn表示每个天线单元在第二来波方向θn上的相位响应；
θx＝θ0+x*Δθ
Figure BDA0003229279530000102
N表示在第一来波方向和第二来波方向之间等间隔分为N份，N份对应x个插值角度，x＝1,2,…,N-1；N为大于等于2的整数。
第二种插值方式：
处理器501通过以下公式进行插值：
Figure BDA0003229279530000111
w0表示每个天线单元在第一来波方向θ0上的相位响应；
wn表示每个天线单元在第二来波方向θn上的相位响应；
θx＝θ0+x*Δθ
Figure BDA0003229279530000112
N表示在第一来波方向θ0和第二来波方向θn之间等间隔分为N份，N份对应x个插值角度，x＝1,2,…,N-1；N为大于等于2的整数。
需要说明的是，本申请校准系统实施例中所阐述的雷达芯片与图5-6所示雷达芯片可为同一雷达芯片，也可为同一生产批次的雷达芯片。例如，针对同一批次的雷达芯片，可选择一个或多个雷达芯片作为测试芯片，以在诸如暗室等理想的环境中，利用本申请实施例所阐述的校准系统，来测量得到因生产工艺等非理想因素而导致的各测试芯片的接收天线阵列的空间响应误差，并通过对各测试芯片的接收天线阵列的空间响应误差进行诸如取平均值作为参考空间响应误差，并将该参考空间响应误差预存至该批次剩余或全部的雷达芯片中，以在雷达芯片进行实际的目标测量时，利用该参考空间响应误差对所接收回波信号进行相位补偿，后续再利用补偿后的回波信号进行目标角度检测，进而有效提升目标检测的精度。
在一个可选的实施例中，还可基于生产工艺的参数，例如生产制造序号等，结合各测试芯片的接收天线阵列的空间响应误差，得到一个空间响应误差与生产工艺参数变化相关的函数(即变化的趋势)，并将该函数预存至该批次剩余或全部的雷达芯片中，以在任一雷达芯片进行实际的目标测量时，利用该函数和对应的生产工艺参数获取该雷达芯片所对应的空间响应误差，并基于该对应的空间响应误差对所接收回波信号进行相位补偿。当然，也可先将各雷达芯片所对应的空间响应误差预存至其自身的存储器中，以便于在需要进行相位补偿时直接调用。
基于以上实施例提供的一种雷达芯片，本申请实施例还提供一种设备，可包括设备本体和本申请任一实施例所阐述的雷达芯片，即该雷达芯片可设置于设备本体上，以用于目标检测。
本申请实施例提供的设备本体可为诸如智能住宅、交通、智能家居、消费电子、监控、工业自动化、舱内检测及卫生保健等领域的部件及产品。例如，该设备本体可为智能交通运输设备(如汽车、自行车、摩托车、船舶、地铁、火车等)、安防设备(如摄像头)、液位/流速检测设备、智能穿戴设备(如手环、眼镜等)、智能家居设备(如电视、空调、智能灯等)、各种通信设备(如手机、平板电脑等)等，以及诸如道闸、智能交通指示灯、智能指示牌、交通摄像头及各种工业化机械臂(或机器人)等，也可用于检测生命特征参数的各种仪器以及搭载该仪器的各种设备，例如汽车舱内检测、室内人员监控、智能医疗设备等。
当设备本体为车辆时，通过该雷达芯片可实现辅助自动驾驶，即应用于自动驾驶车辆的优势更加明显，雷达芯片中的处理器可以根据存储器中存储的插值前的空间响应矩阵或插值后的空间响应矩阵，对回波信号进行补偿，并基于补偿后的回波信号进行目标角度检测，进而提升对障碍物检测的精度，即在准确获得障碍物的来波方向，即障碍物相对于雷达的角度，来指导汽车进行障碍物避让，有效提升自动驾驶的安全性。
应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于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：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
以上所述，仅是本申请的较佳实施例而已，并非对本申请作任何形式上的限制。虽然本申请已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本申请。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本申请技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本申请技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本申请技术方案保护的范围内。

Claims (12)

1.一种雷达角度的校准系统，其特征在于，应用于具有接收天线阵列的雷达上，所述校准系统包括：雷达仿真器、接收喇叭天线、发射喇叭天线、转台和控制器；
所述雷达设置在所述转台上，所述雷达跟随所述转台的转动而转动；
所述接收喇叭天线和所述发射喇叭天线均通过波导与所述雷达仿真器连接；
所述雷达发射信号，所述接收喇叭天线接收所述雷达的发射信号并通过波导将其传输至所述雷达仿真器；所述雷达仿真器根据接收的信号模拟回波信号并通过所述波导传输至所述发射喇叭天线，所述发射喇叭天线将所述回波信号发射以使所述雷达接收；
所述控制器，用于通过所述转台驱动所述雷达以预设角度步长逐渐改变所述发射信号的角度来获得不同来波方向的信号源对应的所述接收天线阵列的空间响应，根据所述不同来波方向的信号源对应的所述空间响应获得所述接收天线阵列的空间响应矩阵。
2.根据权利要求1所述的校准系统，其特征在于，所述控制器，具体用于在每个所述来波方向获得所述接收天线阵列中每个天线单元分别接收的回波信号，对每个所述回波信号进行傅里叶变换获得所述每个天线单元的回波信号的频率响应，根据所述每个天线单元的回波信号的频率响应分别获得所述每个天线单元的相位响应，根据所述每个天线单元的相位响应获得所述接收天线阵列的空间响应。
3.根据权利要求2所述的校准系统，其特征在于，所述控制器，具体用于获得所述每个天线单元在第一来波方向的第一相位响应和第二来波方向的第二相位响应，所述第一来波方向和所述第二来波方向相差所述预设角度步长；利用所述第一相位响应和所述第二相位响应进行插值获得处于所述第一来波方向和所述第二来波方向之间的x个插值角度对应的相位响应，所述x为正整数；获得插值后的空间响应矩阵。
4.根据权利要求3所述的校准系统，其特征在于，所述控制器，具体用于通过以下公式进行插值：
Figure FDA0003229279520000011
w0表示每个天线单元在第一来波方向θ0上的相位响应；
wn表示每个天线单元在第二来波方向θn上的相位响应；
θx＝θ0+x*Δθ
Figure FDA0003229279520000012
N表示在第一来波方向和第二来波方向之间等间隔分为N份，N份对应x个插值角度，x＝1,2,…,N-1；N为大于等于2的整数。
5.根据权利要求3所述的校准系统，其特征在于，所述控制器，具体用于通过以下公式进行插值：
Figure FDA0003229279520000013
w0表示每个天线单元在第一来波方向θ0上的相位响应；
wn表示每个天线单元在第二来波方向θn上的相位响应；
θx＝θ0+x*Δθ
Figure FDA0003229279520000021
N表示在第一来波方向θ0和第二来波方向θn之间等间隔分为N份，N份对应x个插值角度，x＝1,2,…,N-1；N为大于等于2的整数。
6.根据权利要求3-5任一项所述的校准系统，其特征在于，还包括：存储器；
所述控制器，具体用于将所述插值后的空间响应矩阵存储在存储器，当需要对雷达角度进行校准时从所述存储器获得所述插值后的空间响应矩阵。
7.根据权利要求3-5任一项所述的校准系统，其特征在于，还包括：存储器；
所述控制器，具体用于将插值前的空间响应矩阵存储在所述存储器；当需要对雷达角度进行校准时从所述存储器获得插值前的空间响应矩阵，对插值前的空间响应矩阵进行插值获得插值后的空间响应矩阵。
8.一种雷达芯片，其特征在于，包括：处理器和存储器；
所述存储器，用于存储权利要求1-5任一项所述的校准系统获得的所述接收天线阵列的空间响应矩阵；
所述处理器，用于将雷达获得的待测信号与所述存储器中存储的所述接收天线阵列的空间响应矩阵进行匹配，从所述接收天线阵列的空间响应矩阵中获得与所述待测信号匹配的相位响应，根据所述待测信号的相位响应获得所述待测信号的角度。
9.一种雷达芯片，其特征在于，包括：处理器和存储器；
所述存储器，用于存储权利要求1或2所述的校准系统获得的所述接收天线阵列的空间响应矩阵；
所述处理器，用于获得所述每个天线单元在第一来波方向的第一相位响应和第二来波方向的第二相位响应，所述第一来波方向和所述第二来波方向相差所述预设角度步长；利用所述第一相位响应和所述第二相位响应进行插值获得处于所述第一来波方向和所述第二来波方向之间的x个插值角度对应的相位响应，所述x为正整数；获得插值后的空间响应矩阵；将雷达获得的待测信号与所述插值后的空间响应矩阵进行匹配，从所述接收天线阵列的空间响应矩阵中获得与所述待测信号匹配的相位响应，根据所述待测信号的相位响应获得所述待测信号的角度。
10.根据权利要求9所述的雷达芯片，其特征在于，
所述处理器，具体用于通过以下公式进行插值：
Figure FDA0003229279520000022
w0表示每个天线单元在第一来波方向θ0上的相位响应；
wn表示每个天线单元在第二来波方向θn上的相位响应；
θx＝θ0+x*Δθ
Figure FDA0003229279520000023
N表示在第一来波方向和第二来波方向之间等间隔分为N份，N份对应x个插值角度，x＝1,2,…,N-1；N为大于等于2的整数。
11.根据权利要求9所述的雷达芯片，其特征在于，所述处理器，具体用于通过以下公式进行插值：
Figure FDA0003229279520000031
w0表示每个天线单元在第一来波方向θ0上的相位响应；
wn表示每个天线单元在第二来波方向θn上的相位响应；
θx＝θ0+x*Δθ
Figure FDA0003229279520000032
N表示在第一来波方向θ0和第二来波方向θn之间等间隔分为N份，N份对应x个插值角度，x＝1,2,…,N-1；N为大于等于2的整数。
12.一种设备，其特征在于，包括：
设备本体；以及
设置于所述设备本体上的如权利要求8-11任一项所述的雷达芯片；
其中，所述雷达芯片用于目标检测。
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JP2005291916A (ja) 測位装置

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