CN116224236A - 一种mimo雷达天线阵列及mimo雷达天线阵列的布局方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MIMO雷达天线阵列及MIMO雷达天线阵列的布局方法。所述MIMO雷达天线阵列由近模天线阵列和远模天线阵列组成；所述近模天线阵列由6个射频TR芯片级联实现，所述近模天线阵列中的近模天线为大视场角低增益天线，所述近模天线阵列用于实现近距离目标探测和角度分辨；所述远模天线阵列由2个射频TR芯片级联实现，所述远模天线阵列中的远模天线为窄视场角高增益天线，所述远模天线阵列用于实现远距离目标探测和角度分辨。该MIMO雷达天线阵列在兼顾大FOV和雷达远距离探测的同时，还拥有较高的目标角分辨能力和角度测量精度。

Description

一种MIMO雷达天线阵列及MIMO雷达天线阵列的布局方法

技术领域

本发明实施例涉及毫米波交通雷达技术领域，尤其涉及一种MIMO雷达天线阵列及MIMO雷达天线阵列的布局方法。

背景技术

随着V2X、车路协同、全息路口等智慧交通解决方案的提出，毫米波交通雷达作为其中非常重要的感知设备，对其性能的需求日益增加，近端路口需要更大的视场角(Fieldof View，FOV)，以探测横穿马路的行人和车辆，需要更高的方位和俯仰角分辨能力，以实现更好的人机车、大小车分类，还需要毫米波交通雷达探测距离越远越好。

MIMO雷达基本采用多通道天线阵列测量视场角，天线阵列的口径就好比光学相机的像素传感器口径，大口径更受青睐，但天线排布却是一大难点，天线数量不够或天线间距排布不合理可能会造成相位模糊的问题。因此，如何利用有限数量的天线去实现雷达空间角度的感知能力是当前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种MIMO雷达天线阵列及MIMO雷达天线阵列的布局方法，以解决现有技术无法利用有限数量的天线去实现雷达空间角度的感知能力的问题。

根据本发明的一方面，提供了一种MIMO雷达天线阵列，所述MIMO雷达天线阵列由近模天线阵列和远模天线阵列组成；

所述近模天线阵列由6个射频TR芯片级联实现，所述近模天线阵列中的近模天线为大视场角低增益天线，所述近模天线阵列用于实现近距离目标探测和角度分辨；

所述远模天线阵列由2个射频TR芯片级联实现，所述远模天线阵列中的远模天线为窄视场角高增益天线，所述远模天线阵列用于实现远距离目标探测和角度分辨。

根据本发明的另一方面，提供了一种MIMO雷达天线阵列的布局方法，所述MIMO雷达天线阵列包括近模天线阵列和远模天线阵列，该方法包括：

根据实际应用场景确定天线设计需求，所述天线设计需求包括近模天线需要满足的方位视场角、俯仰视场角、近模方位角分辨率和近模俯仰角分辨率、以及远模天线需要满足的方位视场角、俯仰视场角和远模方位角分辨率；

根据射频TR芯片级联方案确定近模发射天线数量和近模接收天线数量，以及远模发射天线数量和远模接收天线数量；

根据近模天线需要满足的近模方位角分辨率和近模俯仰角分辨率以及近模天线的波长确定近模天线阵列的阵列口径，根据远模天线需要满足的远模方位角分辨率以及远模天线的波长确定远模天线阵列的阵列口径；

以近模单天线尺寸作为最小布阵间距、以近模发射天线数量、近模接收天线数量以及所述近模天线的阵列口径为约束条件，以近模MIMO雷达虚拟阵列的3dB波束宽度最小、且旁瓣最低为目标，通过预设算法得到近模天线阵列；其中，所述近模单天线尺寸根据近模天线满足的俯仰视场角和方位视场角确定；

以远模单天线尺寸作为最小布阵间距、以远模发射天线数量、远模接收天线数量以及所述远模天线的阵列口径为约束条件，以远模MIMO雷达虚拟阵列的3dB波束宽度最小、且旁瓣最低为目标，通过预设算法得到远模天线阵列；其中，所述远模单天线尺寸根据远模天线满足的俯仰视场角和方位视场角确定。

根据本发明的另一方面，提供了一种MIMO雷达天线阵列的布局装置，所述装置包括：

需求确定模块，用于根据实际应用场景确定天线设计需求，所述天线设计需求包括近模天线需要满足的方位视场角、俯仰视场角、近模方位角分辨率和近模俯仰角分辨率、以及远模天线需要满足的方位视场角、俯仰视场角和远模方位角分辨率；

天线数量确定模块，用于根据射频TR芯片级联方案确定近模发射天线数量和近模接收天线数量，以及远模发射天线数量和远模接收天线数量；

阵列口径确定模块，用于根据近模天线需要满足的近模方位角分辨率和近模俯仰角分辨率以及近模天线的波长确定近模天线阵列的阵列口径，根据远模天线需要满足的远模方位角分辨率以及远模天线的波长确定远模天线阵列的阵列口径；

第一计算模块，用于以近模单天线尺寸作为最小布阵间距、以近模发射天线数量、近模接收天线数量以及所述近模天线的阵列口径为约束条件，以近模MIMO雷达虚拟阵列的3dB波束宽度最小、且旁瓣最低为目标，通过预设算法得到近模天线阵列；其中，所述近模单天线尺寸根据近模天线满足的俯仰视场角和方位视场角确定；

第二计算模块，用于以远模单天线尺寸作为最小布阵间距、以远模发射天线数量、远模接收天线数量以及所述远模天线的阵列口径为约束条件，以远模MIMO雷达虚拟阵列的3dB波束宽度最小、且旁瓣最低为目标，通过预设算法得到远模天线阵列；其中，所述远模单天线尺寸根据远模天线满足的俯仰视场角和方位视场角确定。

本发明实施例的技术方案，通过区分远近模天线设计以及多芯片级联MIMO设计，解决了现有雷达探测距离有限、角分辨率不高以及雷达视角较小的问题，取到了既可兼顾近端FOV，又可以探测远距离，且具有较高的方位和俯仰角分辨率的有益效果。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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为本发明实施例提供的交通雷达安装示意图；

图2为本发明实施例一提供的一种MIMO雷达天线阵列的示意图；

图3为本发明实施例一提供的一种MIMO雷达天线阵列中的近模天线阵列示意图；

图4为本发明实施例一提供的一种MIMO雷达天线阵列的近模MIMO雷达虚拟阵列示意图；

图5为本发明实施例一提供的近模阵列方位向数字波束合成方向图的示意图；

图6为本发明实施例一提供的近模阵列俯仰向数字波束合成方向图的示意图；

图7为本发明实施例一提供的近模天线阵列对不同RCS目标物的探测能力的第一示意图；

图8为本发明实施例一提供的近模天线阵列对不同RCS目标物的探测能力的第二示意图；

图9为本发明实施例一提供的一种MIMO雷达天线阵列中的远模天线阵列示意图；

图10为本发明实施例一提供的一种MIMO雷达天线阵列的远模MIMO雷达虚拟阵列示意图；

图11为发明实施例一提供的远模阵列方位向数字波束合成方向图的示意图；

图12为本发明实施例一提供的远模天线阵列对不同RCS目标物的探测能力的第一示意图；

图13为本发明实施例一提供的远模天线阵列对不同RCS目标物的探测能力的第二示意图；

图14为本发明实施例一提供的MIMO雷达天线阵列的一种天线布局示意图；

图15为本发明实施例二提供的一种MIMO雷达天线阵列的布局方法的流程示意图；

图16为本发明实施例三提供的一种MIMO雷达天线阵列的布局装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。应当理解，本发明的方法实施方式中记载的各个步骤可以按照不同的顺序执行，和/或并行执行。此外，方法实施方式可以包括附加的步骤和/或省略执行示出的步骤。本发明的范围在此方面不受限制。

本文使用的术语“包括”及其变形是开放性包括，即“包括但不限于”。术语“基于”是“至少部分地基于”。术语“一个实施例”表示“至少一个实施例”；术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”；术语“一些实施例”表示“至少一些实施例”。其他术语的相关定义将在下文描述中给出。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要注意，本发明中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。

本发明实施方式中的多个装置之间所交互的消息或者信息的名称仅用于说明性的目的，而并不是用于对这些消息或信息的范围进行限制。

图1为本发明实施例提供的交通雷达安装示意图，如图1所示，雷达安装点为O点，距离地面高度H，P点为雷达安装点到地面的投影，A点为雷达前方车道距离点，B点为雷达覆盖车道边缘，AP代表探测距离X，AB代表车道宽度Y。

雷达天线性能与雷达的测距、测速和测角能力呈现强相关性。以测距能力为例，雷达的最远探测距离和收发天线增益相关，为了实现更远的感知距离，倾向于使用高增益的收发天线。除此之外，对于不同功能定位的MIMO雷达，其探测空间中的方位向和俯仰向的视场角也有不同。谈到测角能力，MIMO雷达基本采用多通道阵列天线测角，高阶雷达应用复杂MIMO波形，进一步提升角度分辨率。

现有的毫米波交通雷达多为单芯片或者双片级联方案，单一天线模式，主要存在以下问题：

1、雷达测量的视场角FOV比较小，天线的辐射能量在大角度会急剧下降，导致大角度雷达探测距离受限，对于交通应用场景而言，FOV太窄，则可探测到的车道数较少；

2、现有雷达多采用MIMO稀疏阵列设计，但是通道数量有限，角分辨率不高；若单纯依靠增大稀疏阵列口径提高角分辨率，会出现栅瓣或者较高旁瓣，从而引起虚假目标；

3、现有雷达大多数都无俯仰角分辨能力；

4、现有雷达探测距离有限，因探测距离与天线增益相关，但是天线增益受限于FOV，FOV越大，增益越低，探测距离越近，单纯通过波形设计提高探测距离，会出现较高的距离分辨率。

为解决上述问题，本发明实施例提供了一种MIMO雷达天线阵列。

实施例一

图2为本发明实施例一提供的一种MIMO雷达天线阵列的示意图，该MIMO雷达天线阵列可以为毫米波交通雷达的天线阵列，用于探测交通路口的车辆。

如图2所示，本发明实施例一提供的一种MIMO雷达天线阵列由近模天线阵列和远模天线阵列组成；

所述近模天线阵列由6个射频TR芯片级联实现，所述近模天线阵列中的近模天线为大视场角低增益天线，所述近模天线阵列用于实现近距离目标探测和角度分辨；

所述远模天线阵列由2个射频TR芯片级联实现，所述远模天线阵列中的远模天线为窄视场角高增益天线，所述远模天线阵列用于实现远距离目标探测和角度分辨。

在本实施例中，MIMO雷达天线阵列通过8个TR芯片实现远近模天线设计，近模天线阵列由6片射频TR芯片级联实现，最多可以有4个近模发射天线24个近模接收天线，近模天线为大FOV低增益天线，可以用于实现15m～120m范围内的目标探测和角度分辨；远模天线阵列由2片射频TR芯片级联实现，最多可以有4个远模发射天线和8个远模接收天线，远模天线为窄FOV高增益天线，用于实现80m～500m范围内的目标探测和角度分辨。远模天线阵列和近模天线阵列共同覆盖的区域为80m～120m，通过FPGA在跟踪层面进行数据融合。

进一步的，所述近模天线满足方位视场角覆盖±60°，俯仰视场角覆盖±25°，所述远模天线满足方位视场角覆盖±17°，俯仰视场角覆盖±5°；所述6个射频TR芯片级联包括1个主芯片和5个从芯片，通过主芯片上的通道外接预设数量个近模发射天线；所述2个射频TR芯片级联包括1个主芯片和1个从芯片，通过主芯片上的通道外接预设数量个远模发射天线；其中，所述预设数量小于或等于4。

本实施例中，近模发射天线和远模发射天线的数量相等，近模发射天线和远模发射天线的数量均小于或等于4，即发射天线的数量可以选择1～4中的任意一个。

其中，近模天线满足方位视场角覆盖±60°，俯仰视场角覆盖±25°根据设计需求得到。

进一步的，所述近模天线阵列中的大部分近模发射天线和近模接收天线用于方位视场角测量，所述近模天线阵列中的小部分近模发射天线和近模接收天线用于俯仰视场角测量，其中至少一个近模发射天线和至少一个近模接收天线既用于方位视场角测量也用于俯仰视场角测量；其中，用于方位视场角测量的近模天线和用于俯仰视场角测量的近模天线采用虚拟稀疏阵列天线布局。

可以理解的是，存在至少一个近模发射天线和至少一个近模接收天线在天线布局上既可以作为水平方向的天线也可以作为竖直方向的天线。其中，位于水平方向的近模发射天线和近模接收天线可以用于方位视场角测量，位于竖直方向的近模发射天线和近模接收天线可以用于俯仰视场角测量。

进一步的，用于方位视场角测量的多个近模发射天线中相邻近模发射天线之间的间距不相等，用于方位视场角测量的多个近模接收天线放置于PCB板的上端，所述用于方位视场角测量的多个近模接收天线中相邻近模接收天线之间的间距相等或不相等；用于俯仰视场角测量的多个近模接收天线放置于所述用于方位视场角测量的多个近模接收天线中的最右侧近模接收天线的下端，所述多个用于俯仰视场角测量的多个近模接收天线中相邻近模接收天线之间的间距相等或不相等。

具体的，近模天线阵列包括4个近模发射天线和24个近模接收天线，如图3所示，图3为本发明实施例一提供的一种MIMO雷达天线阵列中的近模天线阵列示意图。

近模天线阵列中的3个近模发射天线和20个近模接收天线用于方位视场角测量，近模天线阵列中的2个近模发射天线和5个近模接收天线用于俯仰视场角测量；

其中，用于方位视场角测量的3个近模发射天线中相邻近模发射天线之间的间距为9.5倍波长和19.2倍波长，用于俯仰视场角测量的2个发射天线之间的间距为3倍波长；

用于方位视场角测量的20个近模接收天线放置于PCB板的上端，所述20个近模接收天线中相邻近模接收天线之间的间距分别为1.33倍波长、1.6倍波长、1.17倍波长、1.5倍波长、1.44倍波长、1.76倍波长、1.28倍波长、2.93倍波长、1.65倍波长、2.35倍波长、1.17倍波长、1.76倍波长、2.13倍波长、1.39倍波长、1.76倍波长、1.76倍波长、1.76倍波长、1.6倍波长和1.33倍波长；

用于俯仰视场角测量的5个近模接收天线放置于所述20个近模接收天线中的最右侧近模接收天线的下端，所述5个近模接收天线中相邻近模接收天线之间的间距分别为5.3倍波长、5.3倍波长、5.3倍波长和5.6倍波长。

图4为本发明实施例一提供的一种MIMO雷达天线阵列的近模MIMO雷达虚拟阵列示意图。需要说明的是，MIMO雷达通常有多个发射天线和多个接收天线，采用稀疏阵列排布，N个发射天线分时发射，经过目标反射后，每个发射信号被M个接收天线同时接收，得到N×M个虚拟接收天线信号，即可以等效为一个发射天线，N×M个接收天线组成的阵列接收，该阵列称为MIMO雷达虚拟阵列。此处，近模MIMO雷达虚拟阵列天线方向图阵列因子的计算公式如下：

其中，X(tx)表示近模发射天线的位置，X(rx)表示近模接收天线的位置，θ表示方向图函数中的角度，θ₀表示目标方向。

近模MIMO雷达虚拟阵列通过数字波束合成形成近模阵列方位向数字波束合成方向图和近模阵列俯仰向数字波束合成方向图，数字波束合成方向图中包含3dB波束宽度θ_3dB，θ_3dB与角分辨率有关。其中，近模阵列方位向数字波束合成方向图中的θ_3dB与近模方位角分辨率有关，近模阵列俯仰向数字波束合成方向图中的θ_3dB与近模俯仰角分辨率有关。角分辨率与θ_3dB的关系满足公式：

其中，S/N表示信噪比。

图5为本发明实施例一提供的近模阵列方位向数字波束合成方向图的示意图，如图5所示，近模阵列方位向数字波束合成方向图的3dB波束宽度为0.98°，旁瓣-12.62dB，根据图5可知实现了近模方位1°的角分辨率；图6为本发明实施例一提供的近模阵列俯仰向数字波束合成方向图的示意图，如图6所示，近模阵列俯仰向数字波束合成方向图的3dB波束宽度为1.93°，旁瓣-13.58dB，根据图6可知实现了近模俯仰2°的角分辨率。

根据雷达方程公式可以计算得到近模天线阵列对不同RCS目标物的探测能力，如图7和图8所示，图7为本发明实施例一提供的近模天线阵列对不同RCS目标物的探测能力的第一示意图，对应近模俯仰角0°方位向雷达探测能力；图8为本发明实施例一提供的近模天线阵列对不同RCS目标物的探测能力的第二示意图，对应近模俯仰角-25°方位向雷达探测能力。从图7和图8中可知，近模天线阵列对RCS为10dBsm机动车Car的探测距离最大，对RCS为-3dBsm行人Pedestrain的探测距离最小。

进一步的，所述远模天线阵列中的多个远模发射天线和远模接收天线用于方位视场角测量；其中，所述多个远模发射天线放置于PCB版的下端，所述多个远模发射天线中相邻远模发射天线之间的间距不相等；所述多个远模接收天线放置于PCB版的上端，所述多个远模接收天线中相邻远模接收天线之间的间距相等。

具体的，远模天线阵列包括4个远模发射天线和8个远模接收天线，如图9所示，图9为本发明实施例一提供的一种MIMO雷达天线阵列中的远模天线阵列示意图。远模天线阵列中的4个远模发射天线和8个远模接收天线用于方位视场角测量；

其中，所述4个远模发射天线放置于PCB版的下端，所述4个远模发射天线中相邻远模发射天线之间的间距分别为2.9倍波长、6.75倍波长和22.1倍波长；所述8个远模接收天线放置于PCB版的上端，所述8个远模接收天线中相邻远模接收天线之间的间距均为4.16倍波长。

图10为本发明实施例一提供的一种MIMO雷达天线阵列的远模MIMO雷达虚拟阵列示意图。远模MIMO雷达虚拟阵列天线方向图阵列因子的计算公式与MIMO雷达虚拟阵列天线方向图阵列因子的计算公式相同，此处不做赘述。

类似的，远模MIMO雷达虚拟阵列通过数字波束合成形成远模阵列方位向数字波束合成方向图，远模阵列方位向数字波束合成方向图中的3dB波束宽度与远模方位角分辨率有关。图11为发明实施例一提供的远模阵列方位向数字波束合成方向图的示意图，根据图11可知实现了远模方位1°的角分辨率。

根据雷达方程公式可以计算得到远模天线阵列对不同RCS目标物的探测能力，如图12和图13所示，图12为本发明实施例一提供的远模天线阵列对不同RCS目标物的探测能力的第一示意图，对应远模俯仰角0°方位向雷达探测能力；图13为本发明实施例一提供的远模天线阵列对不同RCS目标物的探测能力的第二示意图，对应远模俯仰角5°方位向雷达探测能力，从图12和图13中可知，远模天线阵列对RCS为10dBsm机动车Car的探测距离可以超过500m。

本发明实施例一提供的一种MIMO雷达天线阵列，能够在架设高度6～7米情况下，近端盲区仅15m，方位覆盖12车道，机动车目标最远探测距离超过500m，在兼顾大FOV和雷达探测距离的同时，还拥有较高的目标角分辨能力和角度测量精度。

进一步的，所述近模天线阵列以近模单天线尺寸作为最小布阵间距、以近模发射天线数量、近模接收天线数量以及近模天线的阵列口径为约束条件，以近模MIMO雷达虚拟阵列的3dB波束宽度最小、且旁瓣最低为目标，通过预设算法得到；

其中，所述近模天线的阵列口径包括基于近模方位角分辨率确定的第一阵列口径以及基于近模俯仰角分辨率确定的第二阵列口径，所述近模方位角分辨率和所述近模俯仰角分辨率根据设计需求确定。

需要说明的是，近模天线对应的俯仰视场角和方位视场角限制了近模单天线尺寸，设计需求中确定了近模天线满足的俯仰视场角和方位视场角。

需要说明的是，近模发射天线数量和近模接收天线数量由射频TR芯片级联方案确定，本实施例中近模天线阵列使用六芯片级联方案，近模发射天线数量小于或等于4，近模接收天线数量为近模发射天线数量与射频TR芯片数量的乘积，例如，近模发射天线数量为4，使用六芯片级联方案，则近模接收天线数量为24。

需要说明的是，近模天线的阵列口径的计算公式为：

其中，θ表示角分辨率，λ表示波长，D表示阵列口径。根据上述公式可以计算出第一阵列口径和第二阵列口径。

进一步的，所述远模天线阵列以远模单天线尺寸作为最小布阵间距、以远模发射天线数量、远模接收天线数量以及远模天线的阵列口径为约束条件，以远模MIMO雷达虚拟阵列的3dB波束宽度最小、且旁瓣最低为目标，通过预设算法得到；

其中，所述远模天线的阵列口径包括基于远模方位角分辨率确定的第三阵列口径，所述远模方位角分辨率根据设计需求确定。

需要说明的是，远模天线对应的俯仰视场角和方位视场角限制了远模单天线尺寸，设计需求中确定了远近模天线满足的俯仰视场角和方位视场角。

需要说明的是，远模发射天线数量和远模接收天线数量的确定方式与近模发射天线数量和近模接收天线数量的确定方式相同，此处不做赘述，不同之处为远模天线阵列使用两芯片级联方案。远模天线的阵列口径的计算公式与近模天线的阵列口径的计算公式相同，此处不做赘述。

上文中所述的预设算法可以为粒子群优化算法，使用粒子群优化算法可以搜索最优的MIMO阵列布局。

图14为本发明实施例一提供的MIMO雷达天线阵列的一种天线布局示意图，如图14所示，左侧为近模天线布局区域即近模天线阵列，右侧为远模天线布局区域即远模天线阵列。

实施例二

图15为本发明实施例二提供的一种MIMO雷达天线阵列的布局方法的流程示意图，该方法可适用于交通雷达阵列进行布局，用于探测交通路口的车辆。该方法可以由电子设备执行。其中，所述MIMO雷达天线阵列包括近模天线阵列和远模天线阵列。

如图15所示，本发明实施例二提供的一种MIMO雷达天线阵列的布局方法，包括如下步骤：

S110、根据实际应用场景确定天线设计需求，所述天线设计需求包括近模天线需要满足的方位视场角、俯仰视场角、近模方位角分辨率和近模俯仰角分辨率、以及远模天线需要满足的方位视场角、俯仰视场角和远模方位角分辨率。

本实施例中，根据雷达方程公式，考虑近端路口覆盖12车道，对应的雷达需要在俯仰视场角±25°，方位视场角±60°时能满足最少30米的探测距离，因此近模天线阵列需要满足大FOV的大角度高增益要求，即近模天线需要满足的探测范围为30m～120m，近模天线需要满足的方位视场角为±60°以及俯仰视场角±25°。针对天线设计而言，大FOV和高增益、远距离探测是互相矛盾的，因此将远近模天线共同覆盖的区域设置为80m～120m，则远模天线设计的盲区为80m，对应的远模天线阵列需要满足的探测范围为80m～500m，远模天线需要满足的方位视场角为±17°以及俯仰视场角±5°。

其中，雷达方程公式如下：

其中，P_t表示发射功率，G_t表示发射天线增益,G_r表示接收天线增益，λ表示波长，σ表示目标RCS，N表示累积脉冲数，0.7N_tN_r表示虚拟接收通道非相参积累增益，T_u表示调频时宽，k表示玻尔兹曼常数，T₀表示背景噪声温度，L表示天线罩+馈线损耗，R表示雷达与目标RCS之间的距离，N_F表示噪声系数，S/N表示信噪比。

S120、根据射频TR芯片级联方案确定近模发射天线数量和近模接收天线数量，以及远模发射天线数量和远模接收天线数量。

其中，近模天线阵列使用六芯片级联方案，则近模发射天线数量小于或等于4，例如，近模发射天线数量为4，使用六芯片级联方案，近模接收天线数量为24；远模天线阵列使用两芯片级联方案，远模发射天线数量小于或等于4，例如，远模发射天线数据为4，使用两芯片级联方案，远模接收天线数量为8。

S130、根据近模天线需要满足的近模方位角分辨率和近模俯仰角分辨率以及近模天线的波长确定近模天线阵列的阵列口径，根据远模天线需要满足的远模方位角分辨率以及远模天线的波长确定远模天线阵列的阵列口径。

本实施例中，根据近模天线需要满足的近模方位角分辨率以及近模天线的波长可以计算出近模天线阵列的第一阵列口径；根据近模天线需要满足的近模俯仰角分辨率以及近模天线的波长可以计算出近模天线阵列的第二阵列口径。

其中，近模天线的阵列口径和远模天线的阵列口径的计算公式为：

其中，θ表示角分辨率，λ表示波长，D表示阵列口径。

S140、以近模单天线尺寸作为最小布阵间距、以近模发射天线数量、近模接收天线数量以及所述近模天线的阵列口径为约束条件，以近模MIMO雷达虚拟阵列的3dB波束宽度最小、且旁瓣最低为目标，通过预设算法得到近模天线阵列；其中，所述近模单天线尺寸根据近模天线满足的俯仰视场角和方位视场角确定。

S150、以远模单天线尺寸作为最小布阵间距、以远模发射天线数量、远模接收天线数量以及所述远模天线的阵列口径为约束条件，以远模MIMO雷达虚拟阵列的3dB波束宽度最小、且旁瓣最低为目标，通过预设算法得到远模天线阵列；其中，所述远模单天线尺寸根据远模天线满足的俯仰视场角和方位视场角确定。

本实施例中步骤S140和步骤S150的执行不分先后顺序。

本发明实施例二提供的一种MIMO雷达天线阵列的布局方法，首先根据实际应用场景确定天线设计需求，所述天线设计需求包括近模天线需要满足的方位视场角、俯仰视场角、近模方位角分辨率和近模俯仰角分辨率、以及远模天线需要满足的方位视场角、俯仰视场角和远模方位角分辨率；然后根据射频TR芯片级联方案确定近模发射天线数量和近模接收天线数量，以及远模发射天线数量和远模接收天线数量；之后根据近模天线需要满足的近模方位角分辨率和近模俯仰角分辨率以及近模天线的波长确定近模天线阵列的阵列口径，根据远模天线需要满足的远模方位角分辨率以及远模天线的波长确定远模天线阵列的阵列口径；最后以近模单天线尺寸作为最小布阵间距、以近模发射天线数量、近模接收天线数量以及所述近模天线的阵列口径为约束条件，以近模MIMO雷达虚拟阵列的3dB波束宽度最小、且旁瓣最低为目标，通过预设算法得到近模天线阵列；其中，所述近模单天线尺寸根据近模天线满足的俯仰视场角和方位视场角确定；以远模单天线尺寸作为最小布阵间距、以远模发射天线数量、远模接收天线数量以及所述远模天线的阵列口径为约束条件，以远模MIMO雷达虚拟阵列的3dB波束宽度最小、且旁瓣最低为目标，通过预设算法得到远模天线阵列；其中，所述远模单天线尺寸根据远模天线满足的俯仰视场角和方位视场角确定。该方法区分远近模天线设计，既可兼顾近端FOV，又可以探测远距离；该方法采用多芯片级联MIMO设计，采用稀疏布阵方式，通过增大阵元间距，增加阵列有效孔径，从而具有较高的方位和俯仰角分辨率。通过该方法得到的MIMO雷达天线阵列具有较远的探测距离，远模天线设计方位角分辨率性能优良；同时具有较宽的远近模融合范围，较好的进行目标的角度、幅度和相位信息匹配。

实施例三

图16为本发明实施例三提供的一种MIMO雷达天线阵列的布局装置的结构示意图，该装置可适用于交通雷达阵列进行布局，用于探测交通路口的车辆，其中该装置可由软件和/或硬件实现，并一般集成在电子设备上。

如图16所示，该装置包括：需求确定模块110、天线数量确定模块120、阵列口径确定模块130、第一计算模块140以及第二计算模块150。

需求确定模块110，用于根据实际应用场景确定天线设计需求，所述天线设计需求包括近模天线需要满足的方位视场角、俯仰视场角、近模方位角分辨率和近模俯仰角分辨率、以及远模天线需要满足的方位视场角、俯仰视场角和远模方位角分辨率；

天线数量确定模块120，用于根据射频TR芯片级联方案确定近模发射天线数量和近模接收天线数量，以及远模发射天线数量和远模接收天线数量；

阵列口径确定模块130，用于根据近模天线需要满足的近模方位角分辨率和近模俯仰角分辨率以及近模天线的波长确定近模天线阵列的阵列口径，根据远模天线需要满足的远模方位角分辨率以及远模天线的波长确定远模天线阵列的阵列口径；

第一计算模块140，用于以近模单天线尺寸作为最小布阵间距、以近模发射天线数量、近模接收天线数量以及所述近模天线的阵列口径为约束条件，以近模MIMO雷达虚拟阵列的3dB波束宽度最小、且旁瓣最低为目标，通过预设算法得到近模天线阵列；其中，所述近模单天线尺寸根据近模天线满足的俯仰视场角和方位视场角确定；

第二计算模块150，用于以远模单天线尺寸作为最小布阵间距、以远模发射天线数量、远模接收天线数量以及所述远模天线的阵列口径为约束条件，以远模MIMO雷达虚拟阵列的3dB波束宽度最小、且旁瓣最低为目标，通过预设算法得到远模天线阵列；其中，所述远模单天线尺寸根据远模天线满足的俯仰视场角和方位视场角确定。

上述MIMO雷达天线阵列的布局装置可执行本发明任意实施例所提供的MIMO雷达天线阵列的布局方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (11)

1.一种MIMO雷达天线阵列，其特征在于，所述MIMO雷达天线阵列由近模天线阵列和远模天线阵列组成；

所述近模天线阵列由6个射频TR芯片级联实现，所述近模天线阵列中的近模天线为大视场角低增益天线，所述近模天线阵列用于实现近距离目标探测和角度分辨；

所述远模天线阵列由2个射频TR芯片级联实现，所述远模天线阵列中的远模天线为窄视场角高增益天线，所述远模天线阵列用于实现远距离目标探测和角度分辨。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述近模天线阵列以近模单天线尺寸作为最小布阵间距、以近模发射天线数量、近模接收天线数量以及近模天线的阵列口径为约束条件，以近模MIMO雷达虚拟阵列的3dB波束宽度最小、且旁瓣最低为目标，通过预设算法得到；

其中，所述近模天线的阵列口径包括基于近模方位角分辨率确定的第一阵列口径以及基于近模俯仰角分辨率确定的第二阵列口径，所述近模方位角分辨率和所述近模俯仰角分辨率根据设计需求确定。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述远模天线阵列以远模单天线尺寸作为最小布阵间距、以远模发射天线数量、远模接收天线数量以及远模天线的阵列口径为约束条件，以远模MIMO雷达虚拟阵列的3dB波束宽度最小、且旁瓣最低为目标，通过预设算法得到；

其中，所述远模天线的阵列口径包括基于远模方位角分辨率确定的第三阵列口径，所述远模方位角分辨率根据设计需求确定。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述近模天线满足方位视场角覆盖±60°，俯仰视场角覆盖±25°，所述远模天线满足方位视场角覆盖±17°，俯仰视场角覆盖±5°；

所述6个射频TR芯片级联包括1个主芯片和5个从芯片，通过主芯片上的通道外接预设数量个近模发射天线；

所述2个射频TR芯片级联包括1个主芯片和1个从芯片，通过主芯片上的通道外接预设数量个远模发射天线；

其中，所述预设数量小于或等于4。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，

所述近模天线阵列中的大部分近模发射天线和近模接收天线用于方位视场角测量，所述近模天线阵列中的小部分近模发射天线和近模接收天线用于俯仰视场角测量，其中至少一个近模发射天线和至少一个近模接收天线既用于方位视场角测量也用于俯仰视场角测量；

其中，用于方位视场角测量的近模天线和用于俯仰视场角测量的近模天线采用虚拟稀疏阵列天线布局。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，

用于方位视场角测量的多个近模发射天线中相邻近模发射天线之间的间距不相等，用于方位视场角测量的多个近模接收天线放置于PCB板的上端，所述用于方位视场角测量的多个近模接收天线中相邻近模接收天线之间的间距相等或不相等；

用于俯仰视场角测量的多个近模接收天线放置于所述用于方位视场角测量的多个近模接收天线中的最右侧近模接收天线的下端，所述多个用于俯仰视场角测量的多个近模接收天线中相邻近模接收天线之间的间距相等或不相等。

7.根据权利要6所述的方法，其特征在于，所述预设数量为4时，所述近模天线阵列包括4个近模发射天线和24个近模接收天线；

所述近模天线阵列中的3个近模发射天线和20个近模接收天线用于方位视场角测量，所述近模天线阵列中的2个近模发射天线和5个近模接收天线用于俯仰视场角测量；

其中，用于方位视场角测量的3个近模发射天线中相邻近模发射天线之间的间距为9.5倍波长和19.2倍波长，用于俯仰视场角测量的2个发射天线之间的间距为3倍波长；

用于方位视场角测量的20个近模接收天线放置于PCB板的上端，所述20个近模接收天线中相邻近模接收天线之间的间距分别为1.33倍波长、1.6倍波长、1.17倍波长、1.5倍波长、1.44倍波长、1.76倍波长、1.28倍波长、2.93倍波长、1.65倍波长、2.35倍波长、1.17倍波长、1.76倍波长、2.13倍波长、1.39倍波长、1.76倍波长、1.76倍波长、1.76倍波长、1.6倍波长和1.33倍波长；

用于俯仰视场角测量的5个近模接收天线放置于所述20个近模接收天线中的最右侧近模接收天线的下端，所述5个近模接收天线中相邻近模接收天线之间的间距分别为5.3倍波长、5.3倍波长、5.3倍波长和5.6倍波长。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述远模天线阵列中的多个远模发射天线和远模接收天线用于方位视场角测量；

其中，所述多个远模发射天线放置于PCB版的下端，所述多个远模发射天线中相邻远模发射天线之间的间距不相等；

所述多个远模接收天线放置于PCB版的上端，所述多个远模接收天线中相邻远模接收天线之间的间距相等。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述预设数量为4时，所述远模天线阵列包括4个远模发射天线和8个远模接收天线，所述远模天线阵列中的4个远模发射天线和8个远模接收天线用于方位视场角测量；

其中，所述4个远模发射天线放置于PCB版的下端，所述4个远模发射天线中相邻远模发射天线之间的间距分别为2.9倍波长、6.75倍波长和22.1倍波长；

所述8个远模接收天线放置于PCB版的上端，所述8个远模接收天线中相邻远模接收天线之间的间距均为4.16倍波长。

10.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述近模天线阵列布局在左侧，所述远模天线阵列布局在右侧，所述远模天线阵列和所述近模天线阵列独立工作，在跟踪层面做所述近模天线阵列和所述远模天线阵列检测信号融合工作。

11.一种MIMO雷达天线阵列的布局方法，所述MIMO雷达天线阵列包括近模天线阵列和远模天线阵列，其特征在于，所述方法包括：

根据实际应用场景确定天线设计需求，所述天线设计需求包括近模天线需要满足的方位视场角、俯仰视场角、近模方位角分辨率和近模俯仰角分辨率、以及远模天线需要满足的方位视场角、俯仰视场角和远模方位角分辨率；

根据射频TR芯片级联方案确定近模发射天线数量和近模接收天线数量，以及远模发射天线数量和远模接收天线数量；

根据近模天线需要满足的近模方位角分辨率和近模俯仰角分辨率以及近模天线的波长确定近模天线阵列的阵列口径，根据远模天线需要满足的远模方位角分辨率以及远模天线的波长确定远模天线阵列的阵列口径；

以近模单天线尺寸作为最小布阵间距、以近模发射天线数量、近模接收天线数量以及所述近模天线的阵列口径为约束条件，以近模MIMO雷达虚拟阵列的3dB波束宽度最小、且旁瓣最低为目标，通过预设算法得到近模天线阵列；

其中，所述近模单天线尺寸根据近模天线满足的俯仰视场角和方位视场角确定；

以远模单天线尺寸作为最小布阵间距、以远模发射天线数量、远模接收天线数量以及所述远模天线的阵列口径为约束条件，以远模MIMO雷达虚拟阵列的3dB波束宽度最小、且旁瓣最低为目标，通过预设算法得到远模天线阵列；

其中，所述远模单天线尺寸根据远模天线满足的俯仰视场角和方位视场角确定。

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