CN116451286A - 一种雷达天线阵列布局方法、终端和存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种雷达天线阵列布局方法、终端和存储介质，所述雷达天线阵列布局方法包括：获取目标天线阵列的最远需求探测距离，根据所述最远需求探测距离确定目标天线阵列的目标增益和尺寸区间；根据复用于两个探测维度的天线单元数量以及虚拟阵列中重复的天线单元数量的限制，分别确定用于方位维度的天线个数和俯仰维度的天线个数；根据目标增益、尺寸区间、天线个数和角度分辨力目标，在目标天线阵列的可布局范围内确定单元间距的约束条件；根据单元间距的约束条件以及解角可靠性的设计目标，确定目标天线阵列中各单元的位置。本申请提供的雷达天线阵列布局方法、终端和存储介质使车载毫米波雷达具有可靠的角度估计能力与极强的角度分辨能力，并具有高灵敏度与高动态范围，生成致密的点云，从而对目标进行精准探测。

Description

一种雷达天线阵列布局方法、终端和存储介质

技术领域

本申请涉及雷达天线技术领域，具体涉及一种雷达天线阵列布局方法、终端和存储介质。

背景技术

为了实现自动驾驶的愿景，市场对车载毫米波雷达的性能要求愈发严苛，不仅希望提高雷达对目标探测的可靠性，还希望雷达能够生成致密的点云，因此需要雷达具有高灵敏度与高动态范围，并且最重要的是，需要雷达具有极强的角度估计与角度分辨能力。

在构思及实现本申请过程中，发明人发现至少存在如下问题：现有的大部分雷达设计方案都是采取单芯片工作模式，使用均匀阵列的布阵形式，但孔径很小，无法满足对高角度分辨力的要求；有些方案采用了稀疏布阵的方式来拓展天线孔径，但由于天线通道数较少，孔径的增大效果有限，因此对角度估计的可靠性通常较低；大部分方案仅对发射天线的高度位置进行了偏置用以在俯仰维度进行探测，而所有的接收天线通常都位于同一高度，导致接收天线资源的浪费，从而导致俯仰探测的性能较差，甚至无法进行俯仰维度的分辨，出现角度模糊的情况。

发明内容

为了缓解上述问题，本申请提供一种雷达天线阵列布局方法、终端和存储介质。

在一方面，本申请提供一种雷达天线阵列布局方法，具体地，所述雷达天线阵列布局方法基于多芯片级联连接方式，所述雷达天线阵列布局方法包括：

获取目标天线阵列的最远需求探测距离，根据所述最远需求探测距离确定目标天线阵列的目标增益和尺寸区间；

所述目标天线阵列的部分天线单元同时用于方位角和俯仰角探测，根据复用于对应方位维度和俯仰维度的天线单元数量以及虚拟阵列中重复的天线单元数量的限制，分别确定用于方位维度的天线个数和俯仰维度的天线个数；

根据所述目标增益、尺寸区间、天线个数和角度分辨力目标，在目标天线阵列的可布局范围内确定单元间距的约束条件；

根据所述单元间距的约束条件以及可靠性的设计目标，确定目标天线阵列中各单元的位置。

可选地，所述根据所述最远需求探测距离确定目标天线阵列的目标增益的步骤中，按照以下表达式计算：

P_r＝P_tGσA_e/4πR⁴

其中，P_r为雷达的接收功率，P_t为雷达的发射功率，G为天线增益，σ为雷达散射截面积，A_e为天线孔径，π为圆周率，R为目标与雷达的距离。

可选地，所述根据所述最远需求探测距离确定目标天线阵列的尺寸区间的步骤中包括：

当所述最远需求探测距离位于第一距离区间时，按照所述目标天线阵列的阵元并联方式确定所述目标天线阵列的物理尺寸与探测波长之间的第一关系；

当所述最远需求探测距离位于第二距离区间时，按照所述目标天线阵列的阵元串联方式确定所述目标天线阵列的物理尺寸与探测波长之间的第二关系。

可选地，所述目标天线阵列的部分天线单元同时用于方位角和俯仰角探测，根据复用于对应方位维度和俯仰维度的天线单元数量以及虚拟阵列中重复的天线单元数量的限制，分别确定用于方位维度的天线个数和俯仰维度的天线个数的步骤中包括：

将位于同一高度不同水平位置的发射天线和接收天线组成一个用于方位角探测的方位虚拟阵列，在所述方位虚拟阵列中，排列位置重复的天线单元数量小于等于第一数量阈值；

将位于同一水平不同高度位置的发射天线和接收天线组成一个用于俯仰角探测的俯仰虚拟阵列，在所述俯仰虚拟阵列中，排列位置重复的天线单元数量小于等于第二数量阈值。

可选地，所述根据所述目标增益、尺寸区间、天线个数和角度分辨力目标，在目标天线阵列的可布局范围内确定单元间距的约束条件的步骤包括以下至少一项：

当同类型天线相邻设置时，所述天线间距大于所述同类型天线物理尺寸的最大值；

当不同类型天线相邻放置时，所述天线间距大于所述不同类型天线物理尺寸的平均值。

可选地，所述根据所述目标增益、尺寸区间、天线个数和角度分辨力目标，在目标天线阵列的可布局范围内确定单元间距的约束条件的步骤包括：

根据级联的多个芯片的数量，将接收天线分为数量相同的多个接收天线组；

确定任一芯片距离同组内位于中间的接收天线单元的距离与探测波长之间的第三关系，确定任一芯片距离同组内两侧的接收天线单元距离与探测波长之间的第四关系；

根据所述第三关系和所述第四关系，确定每组接收天线的天线间距与与探测波长之间的第五关系。

可选地，所述根据所述目标增益、尺寸区间、天线个数和角度分辨力目标，在目标天线阵列的可布局范围内确定单元间距的约束条件的步骤包括：

根据目标天线阵列的最大可布局范围分别计算方位维度和俯仰维度的天线阵列真实孔径最大值，以确定接收天线的最大间距；

根据所述方位维度的天线阵列真实孔径最大值、俯仰维度的天线阵列真实孔径最大值和目标天线阵列的角度分辨力目标，确定用以组成虚拟阵列的发射天线的最大间距。

可选地，所述根据单元间距的约束条件以及可靠性的设计目标，确定目标天线阵列中各单元的位置的步骤包括：

分别将所述天线单元的相位中心作为位置基准，以各天线单元位置基准作为寻优参数，根据所述单元间距的约束条件以及可靠性的设计目标做自适应循环；

将对数坐标下的探测目标对应的数字合成波束主瓣高度与副瓣高度的差值作为收敛条件，计算局部最优解，作为所述目标天线阵列的位置布局结果。

另一方面，本申请还提供一种雷达天线阵列布局终端，具体地，所述雷达天线阵列布局终端包括处理器和存储器；

所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序能够被所述处理器执行，以实现如上所述的雷达天线阵列布局方法的步骤。

另一方面，本申请还提供一种存储介质，具体地，所述存储介质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所述的雷达天线阵列布局方法的步骤。

如上所述，本申请提供的雷达天线阵列布局方法、终端和存储介质使车载毫米波雷达具有可靠的角度估计能力与极强的角度分辨能力，并具有高灵敏度与高动态范围，能够生成致密的点云，从而对目标进行精准探测。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一实施例的雷达天线阵列布局方法的流程图。

图2为本申请一实施例的天线单元排布示意图。

图3为本申请一实施例的MIMO虚拟阵列效果示意图

图4为本申请一实施例的天线单元排布示意图。

图5为本申请一实施例的方位维度虚拟阵列中单元排布的示意图。

图6为本申请一实施例的俯仰维度虚拟阵列中单元排布的示意图。

图7为图5实施例基础上的方位维度数字波束合成结果示意图。

图8为图6实施例基础上的俯仰维度数字波束合成结果示意图。

本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。通过上述附图，已示出本申请明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本申请构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本申请的概念。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

需要说明的是，在本文中，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、物品或者装置不仅包括那些要素，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、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素，此外，本申请不同实施例中具有同样命名的部件、特征、要素可能具有相同含义，也可能具有不同含义，其具体含义需以其在该具体实施例中的解释或者进一步结合该具体实施例中上下文进行确定。

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，在以下实施例中，本申请选取MIMO雷达技术作为雷达天线阵列布局的基础。MIMO雷达是指多发多收天线体制的雷达，MIMO雷达的优点是可以提高雷达的角度分辨率(空间分辨率)。对于传统的真实孔径雷达而言，角度分辨率增加一倍，接收天线数量就会增加一倍，如果使用MIMO雷达，只增加一个发射天线就可以取代多出的一倍接收天线，这为MIMO雷达提供了经济有效的方式来提高雷达的分辨率，主要在于天线体积的减小。本申请实施例以四芯片级联方案为例，因此共有12个发射天线通道，以及16个接收天线通道。

第一实施例

在一方面，本申请提供一种雷达天线阵列布局方法，图1为本申请一实施例的雷达天线阵列布局方法的流程图。

请参阅图1，在一实施例中，雷达天线阵列布局方法基于多芯片级联连接方式，包括：

S10：获取目标天线阵列的最远需求探测距离，根据最远需求探测距离确定目标天线阵列的目标增益和尺寸区间。

目标天线阵列是能够达到预期效果的布局阵列天线。天线增益是在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。天线增益能够定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。示例性地，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力。目标增益是对即将布局的阵列天线单元的增益需求。而天线的可布局位置限制了天线的布局空间，在有限的空间内，天线的尺寸受到了相当的限制。而阵列中天线的类型又对天线的间距产生了相对的要求。示例性地，当同类型天线相邻放置时，最小间距需要大于各自的物理尺寸；当不同类型的天线相邻放置时，最小间距需要大于二者尺寸的平均值。在本实施例中，首先根据所需的最远探测距离，计算出天线所需增益；进一步结合天线的类型和可布局的位置限制，确定天线的尺寸空间。

S20：根据复用于对应方位维度和俯仰维度的天线单元数量以及虚拟阵列中重复的天线单元数量的限制，分别确定用于方位维度的天线个数和俯仰维度的天线个数。其中，目标天线阵列的部分天线单元可以同时用于方位角和俯仰角探测。

可选地，需要确定分别用于方位维度和俯仰维度的天线个数，为了不产生过多的冗余信息降低置信度，排列位置重复的单元数量尽可能减少。

示例性地，将所有位于同一水平线上的发射或接收天线记做一组，对应于一个有效的方位维度位置，并由此组成一个虚拟阵列。可选地，在虚拟阵列中，同样为了不产生过多的冗余信息，排列位置重复的虚拟单元数量尽可能减少，例如不超过5个排列位置重复的单元。

示例性地，将所有位于同一高度的发射或接收天线记为一组，对应于一个有效的俯仰维度位置，从而组成一个虚拟阵列。可选地，该虚拟阵列中位置重复的单元数量同样尽可能减少。可选地，复用的发射与接收天线的单元个数不宜过多，以减少后续算法的复杂度，并且可以避免引入额外的多普勒补偿问题。可选地，当阵列布局采用了复用天线单元进行两个维度角探测时，可以在对方位角解耦补偿后再进行俯仰角的计算。

S30：根据目标增益、尺寸区间、天线个数和角度分辨力目标，在目标天线阵列的可布局范围内确定单元间距的约束条件。

角度分辨力是雷达在角度上区分邻近目标的能力，通常以最小可分辨的角度来度量。雷达的角度分辨力取决于雷达的工作波长λ和天线口径尺寸L，约为λ/L。

可选地，每一组接收天线的传输馈线长度保持一致，也可以相差不大，芯片距离同组内位于中间的接收天线单元距离设置为第一预设距离，距离位于两侧的接收天线单元距离不超过第二预设距离，以避免传输线长度相差过大从而导致各单元幅度差异较大。可选地，每组接收天线的间距小于第三预设距离，以避免影响后续的通道校准以及合成的系统方向图的准确性。示例性地，在部分距离较近的天线单元之间可以采取适当的提高隔离度的手段，例如增加寄生天线或采用电磁带隙(Electromagnetic Band gap,EBG)结构实现。可选地，相邻两组接收天线的距离不小于第四预设距离，以避免产生信号串扰，保障接收端信号的同步性。可选地，天线单元与射频芯片的间距大于第五预设距离，以保障可加工性，避免影响附近的电路。

S40：根据单元间距的约束条件以及可靠性的设计目标，确定目标天线阵列中各单元的位置。

可选地，将天线单元的相位中心作为该天线单元位置的基准，在满足对天线阵列各单元间距的约束条件后，将所有的天线单元位置作为寻优参数，将上述限制条件写入自适应循环，并将对数坐标下的目标对应的数字合成波束主瓣高度与其余的副瓣高度的差值作为收敛条件，从而找到局部最优解，作为各天线单元位置的布局结果。

示例性地，使用多输入多输出(MIMO)技术，能在不增加带宽的情况下，成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，并且使阵列所需的物理尺寸能够最多减小一倍。

在本实施例中，雷达天线阵列布局方法使车载毫米波雷达具有可靠的角度估计能力与极强的角度分辨能力，并具有高灵敏度与高动态范围，生成致密的点云，从而对目标进行精准探测。

在一实施例中，雷达天线阵列布局方法在执行S10：根据最远需求探测距离确定目标天线阵列的目标增益的步骤中，按照以下表达式计算：

P_r＝P_tGσA_e/4πR⁴

其中，P_r为雷达的接收功率，P_t为雷达的发射功率，G为天线增益，σ为雷达散射截面积，A_e为天线孔径，π为圆周率，R为目标与雷达的距离。

示例性地，σ为雷达散射截面积，只需要考虑行人、两轮车、车辆的雷达散射截面积，通常以-10dBsm、7dBsm、15dBsm来计算。A_e为天线孔径，可根据产品的尺寸来进行初步估计。

在一实施例中，雷达天线阵列布局方法在执行S10：根据最远需求探测距离确定目标天线阵列的尺寸区间的步骤中包括：

S11：当最远需求探测距离位于第一距离区间时，按照目标天线阵列的阵元并联方式确定目标天线阵列的物理尺寸与探测波长之间的第一关系；

S12：当最远需求探测距离位于第二距离区间时，按照目标天线阵列的阵元串联方式确定目标天线阵列的物理尺寸与探测波长之间的第二关系。

示例性地，远距探测需要将天线阵元并联，中近距探测需要将天线阵元串联。通常情况下，用于远距探测的天线尺寸L1约为5d～12d(d的取值不唯一，d∈{0.4λ，0.5λ，0.6λ}，λ为自由空间波长)，用于中近距探测的天线尺寸L2约为2d～4d。

在一实施例中，雷达天线阵列布局方法在执行S20：根据复用于对应方位维度和俯仰维度的天线单元数量以及虚拟阵列中重复的天线单元数量的限制，分别确定用于方位维度的天线个数和俯仰维度的天线个数的步骤中包括：

S21：将位于同一高度不同水平位置的发射天线和接收天线组成一个用于方位角探测的方位虚拟阵列，在方位虚拟阵列中，排列位置重复的天线单元数量小于等于第一数量阈值。

示例性地，两个天线单元可以位于同一方位位置，但位于不同俯仰位置，就会导致方位维度上的排列重复。示例性地，将用于方位角探测的发射天线个数记为A1，接收天线个数记为A2，并将所有位于水平线上同一位置的发射或接收天线记做一组，对应于1个有效方位维位置，由此可以组成一个大小为不大于A1*A2的虚拟阵列，虚拟阵列中，为了不产生过多的冗余信息，排列位置重复的单元数量N尽可能减少，以避免解角的置信度降低。可选地，本申请对第一数量阈值的大小不做限定，第一数量阈值根据经验可以选5。

S22：将位于同一水平不同高度位置的发射天线和接收天线组成一个用于俯仰角探测的俯仰虚拟阵列，在俯仰虚拟阵列中，排列位置重复的天线单元数量小于等于第二数量阈值。

示例性地，将用于俯仰角探测的发射天线个数记为E1，接收天线个数记为E2，并将所有位于同一高度的发射或接收天线记做一组，对应于1个有效俯仰维位置，由此可以组成一个大小为不大于E1*E2的虚拟阵列，同样的，该虚拟阵列中位置重复的单元数量需尽可能减少。可选地，本申请对第二数量阈值的大小不做限定。

在本实施例中，用于方位角探测和俯仰角探测的部分收发天线单元可以复用，但为了减少后续算法的复杂度，以及不引入额外的多普勒补偿问题，复用的发射与接收天线单元个数不宜过多。在四芯片级联的方案下，单芯片发射天线通道数为3，接收天线通道数为4，共有12个发射天线以及16个接收天线。在不复用天线单元的情况下，共12个发射单元，若复用了一个天线单元，则等效于共13个发射单元。接收单元同理。因此A1+E1∈{12,13}，A2+E2∈{16,17}。当阵列布局采取了复用天线单元进行两个维度角探测时，可以在解得方位角后，对应用于俯仰维度的天线单元进行方位角解耦补偿，再进行俯仰角估计。

在一实施例中，雷达天线阵列布局方法在执行S30：根据目标增益、尺寸区间、天线个数和角度分辨力目标，在目标天线阵列的可布局范围内确定单元间距的约束条件的步骤包括以下至少一项：

S31：当同类型天线相邻设置时，天线间距大于同类型天线物理尺寸的最大值；

S32：当不同类型天线相邻放置时，天线间距大于不同类型天线物理尺寸的平均值。

示例性地，当同类型天线相邻放置时，最小间距需要大于各自的物理尺寸(L1或L2)，且需要为d的正整数倍。当不同类型天线相邻放置时，最小间距需要大于(L1+L2)/2，同样也需要为d的正整数倍。

图2为本申请一实施例的天线单元排布示意图。

请参阅图2，在一实施例中，雷达天线阵列布局方法在执行S30：根据目标增益、尺寸区间、天线个数和角度分辨力目标，在目标天线阵列的可布局范围内确定单元间距的约束条件的步骤包括：

S33：根据级联的多个芯片的数量，将接收天线分为数量相同的多个接收天线组。

示例性地，根据级联的芯片个数n，将接收天线分为n组，图2使用了4颗芯片级联，因此分为4组接收天线。其中，每一个天线单元01均通过一条传输馈线04与各组内的射频芯片03相连接，02为同一组内的接收天线，为了避免示意图过于繁琐，因此仅示出了部分结构。

S34：确定任一芯片距离同组内位于中间的接收天线单元的距离与探测波长之间的第三关系，确定任一芯片距离同组内两侧的接收天线单元距离与探测波长之间的第四关系。

S35：根据第三关系和第四关系，确定每组接收天线的天线间距与探测波长之间的第五关系。

示例性地，每一组接收天线的传输馈线长度不宜相差过大，芯片距离同组内位于中间的接收天线单元距离约为4.5d，距离位于两侧的接收天线单元距离不宜超过8d，据此可估算出D1的大小约为：2*(8d2-4.5d2)0.5≈13d。因此，每组接收天线的间距D1应小于13d，以避免同组内传输线长度差异过大，对后续的通道校准以及合成的系统方向图准确性产生影响。

而在部分距离较近的天线单元之间则需要采用适当的提高隔离度的手段，包括但不限于增加寄生天线或EBG结构等。任意相邻两组接收天线的距离D2也不宜过近，否则会产生信号的串扰，加剧接收端的不同步，根据工程经验，当间距D2大于2d时，信号间的串扰较小，并且还需为天线物理结构留出一定的余量，因此间距D2应大于3d。除此以外，还需考虑可加工性，例如天线单元需要与射频芯片保持一定的距离，避让芯片附近的各类电路，为了使雷达射频板具有电磁兼容性，需要把天线放置在距离各类电路至少2d～3d以外，同时还需考虑它们的物理尺寸，示例性地，一个常见的0402封装的阻容长度大约为1d，因此天线单元与这类结构的距离需要不小于4d。

在一实施例中，雷达天线阵列布局方法在执行S30：根据目标增益、尺寸区间、天线个数和角度分辨力目标，在目标天线阵列的可布局范围内确定单元间距的约束条件的步骤包括：

S36：根据目标天线阵列的最大可布局范围分别计算方位维度和俯仰维度的天线阵列真实孔径最大值，以确定接收天线的最大间距。

示例性地，假设共有M个天线单元，相邻两天线单元的间距为d0、d1、d2、d3……dM-1，则阵列孔径为Σdi。根据目标天线阵列的最大可布局范围分别得到方位维度真实孔径最大值ARA和俯仰维度真实孔径最大值ARE。

图3为本申请一实施例的MIMO虚拟阵列效果示意图。

请参阅图3，在一实施例中，雷达天线阵列布局方法还包括步骤S37：根据所述方位维度的天线阵列真实孔径最大值、俯仰维度的天线阵列真实孔径最大值和目标天线阵列的角度分辨力目标，确定组成虚拟阵列的发射天线的间距。

大部分车载毫米波雷达天线需集成在PCB上，考虑到产品的成本与可应用性，PCB的尺寸通常有限，且还需要为射频芯片、射频电路、射频器件、机械零件等预留出足够的空间，因此天线阵列的可布局范围十分有限，且角分辨力越好，所需的天线阵列孔径越大，因此在天线阵列可用面积有限的情况下，需要利用到MIMO技术，通过增加虚拟阵元来提升虚拟阵列孔径的大小。MIMO雷达中虚拟孔径A的计算公式为：A＝λ/θres，θres为角分辨力的大小。若分别满足方位和俯仰角度分辨力需求的虚拟孔径为AA和AE，方位维度上，发射天线的间距ATA＝AA-ARA，俯仰维度上，发射天线的间距ATE＝AE-ARE。

示例性地，在不考虑角度解耦的前提下，使用了MIMO技术的虚拟阵列示例，实线圆表示方位维度上实际存在的天线单元，虚线圆表示虚拟单元，实线三角形表示俯仰维度上实际存在的天线单元，虚线三角形表示虚拟单元，“×”表示虚拟阵列中该位置无天线单元。根据前述公式，为了满足角度分辨力的需求，虚拟阵列的孔径需要大于等于A。

图4为本申请一实施例的天线单元排布示意图。

请参阅图4，在一实施例中，雷达天线阵列布局方法在执行S40：根据单元间距的约束条件以及解角可靠性的设计目标，确定目标天线阵列中各单元的位置的步骤包括：

S41：分别将天线单元的相位中心作为位置基准，以各天线单元位置基准作为寻优参数，将天线单元间距的约束条件写入自适应循环；

S42：将对数坐标下的探测目标对应的数字合成波束主瓣高度与副瓣高度的差值作为收敛条件，计算局部最优解，作为目标天线阵列的位置布局结果。

示例性地，数字波束形成(Digital Beam Forming，DBF)是进行角度估计的一个前置环节，DBF实质上是一个空域范畴内的对快拍信号进行加权求和的过程，通过在接收端进行数字波束合成，可以保留天线孔径内的有效信息。数字合成波束可通过如下公式计算得到：P＝Σexp(j2nπd[sin(θ)-sin(θ_B)]/λ，其中，θ为空间角，θ_B为波束最大值指向，d为天线间距，P为信号幅度。根据该公式可以得到θ-P曲线，主瓣高度为该曲线的最大值，各副瓣的高度为其余极大值。在确定了阵列孔径以满足角度分辨力需求之后，还需对角度估计的可靠性进行考虑，该指标可以通过数字域中(可见范围内)目标所对应的峰值与两侧噪声干扰的峰值幅度的差值大小进行衡量。示例性地，当DBF的结果具有足够的可靠性，后续可以基于初步解算出的目标角度邻域内进行更进一步的搜索，从而正确估计出目标极为精确的到达角。为了获得高角度估计可靠性，首先需要避免合成波束的副瓣过高造成对目标到达角的错误判断，其次需要避免合成波束的栅瓣产生保证在±90度内无模糊，因此虚拟阵列中天线单元的排布不宜过于分散。以对数坐标而言，均匀直线阵的主瓣幅度与第一副瓣的幅度差值为13.5，为了取得基本持平于均匀布阵(均匀阵列所需的单元数目非常多)的副瓣情况，或副瓣性能更优于均匀布阵，真实目标对应的主瓣高度与其余副瓣高度的差值需大于13.5。

示例性地，将天线单元的相位中心作为该天线单元位置的基准，需在满足上述对天线阵列布局的限制条件后，将所有的天线单元位置(x_i,y_j)(如图4所示，包括了方位维位置与俯仰维位置)作为寻优参数，并通过将上述限制条件写入自适应循环，并将对数坐标下的目标对应的主瓣高度与其余副瓣高度的差值作为收敛条件，从而找到局部最优解，也就是找到恰当的各天线单元位置结果。

图5为本申请一实施例的方位维度虚拟阵列中单元排布的示意图。

请参阅图5，在一实施例中，在一实施例中，方位维虚拟孔径为100*n，对应的角度分辨力为1.14°。阵列中共可能有101个阵元位置，位置编号x分别为0-100，该编号下单元对应的水平位置为x_i*n(0≤i≤100)，表示该位置存在天线单元，“○”表示该位置不存在天线单元。

图6为本申请一实施例的俯仰维度虚拟阵列中单元排布的示意图。

示例性地，请参阅图6，俯仰维度虚拟孔径为63*n，对应的角度分辨力为1.81°。阵列中共可能有64个阵元位置，位置编号y分别为0-63，该编号下单元对应的俯仰位置为y_j*n(0≤j≤63)，表示该位置存在天线单元，“□”表示该位置不存在天线单元。

图7为图5实施例基础上的方位维度数字波束合成结果示意图。图8为图6实施例基础上的俯仰维度数字波束合成结果示意图。

请结合参阅图7和图8，示例性地，本申请中阵列方位维度和俯仰维度数字域内的合成波束结果均以对数坐标表示。为了获得更精确的结果，步进间隔设置为0.01°，其中方位维度主瓣高度与两侧副瓣的最小差值为17.6，俯仰维度主瓣高度与两侧副瓣的最小差值为13.5，均可获得极高的角度估计可靠性。

综上所述，本申请同时充分利用了发射和接收两组天线进行布阵，仅使用简单的MIMO技术就可实现可靠的角度估计与极高的角度分辨力，在其余空间谱估计算法的强化下，例如ESPRIT，MUSIC，ROOT-MUSIC等，可以进一步取得超分辨力的效果。此外，本发明仅展示了一种虚拟阵列的排布方式，选择不同的级联芯片个数、天线单元尺寸以及阵列可布局范围，均可通过上述原理进行雷达天线阵列布局，从而获得极强的角度探测能力。

第二实施例

另一方面，本申请还提供一种雷达天线阵列布局终端，具体地，雷达天线阵列布局终端包括处理器和存储器；

存储器存储有计算机程序，计算机程序能够被处理器执行，以实现如上所述的雷达天线阵列布局方法的步骤。

示例性地，雷达天线阵列布局终端实现如上所述的雷达天线阵列布局方法的步骤包括：

步骤1：首先根据最远探测距离估算出天线所需增益，再根据FoV(Field of View，FoV)的需求估算出天线的物理尺寸。通常情况下，用于远距探测的天线尺寸L1约为5d～12d(d的取值不唯一，d∈{0.4λ，0.5λ，0.6λ}，λ为自由空间波长)，用于中近距探测的天线尺寸L2约为2d～4d。因此当同类型天线相邻放置时，最小间距需要大于各自的物理尺寸(L1或L2)，且需要为d的正整数倍；当不同类型天线相邻放置时，最小间距需要大于(L1+L2)/2，同样也需要为d的正整数倍。

天线所需增益计算表达式为：Pr＝PtGσAe/4πR4，其中，Pr为雷达的接收功率，Pt为雷达的发射功率，G为天线增益，σ为雷达散射截面积，Ae为天线孔径，R为目标与雷达的距离。根据FoV的需求与上述公式估算出天线的物理尺寸，中近距探测需要将阵元串联，远距探测需要将阵元并联。

步骤2：需要确定分别用于方位维度和俯仰维度的天线个数，将用于方位角探测的发射天线个数记为A1，接收天线个数记为A2，并将所有位于同一水平位置的发射或接收天线记做一组，对应于1个有效方位维位置，由此可以组成一个大小为A1*A2的虚拟阵列，虚拟阵列中，为了不产生过多的冗余信息，排列位置重复的单元数量N尽可能减少(N≤5)；将用于俯仰角探测的发射天线个数记为E1，接收天线个数记为E2，并将所有位于同一高度的发射或接收天线记做一组，对应于1个有效俯仰维位置，由此可以组成一个大小为E1*E2的虚拟阵列，同样的，该虚拟阵列中位置重复的单元数量需尽可能减少。此外，用于方位角探测和俯仰角探测的部分收发天线单元可以复用，但为了减少后续算法的复杂度，以及不引入额外的多普勒补偿问题，复用的发射与接收天线单元个数不宜过多，因此在四芯片级联的方案下，A1+E1∈{12,13}，A2+E2∈{16,17}。当阵列布局采取了复用天线单元进行两个维度角探测时，可以在对方位角解耦补偿后，再进行俯仰角估计。

步骤3：根据级联的芯片个数n，将接收天线分为n组，本例中使用了4颗芯片级联，因此将接收天线分为四组，每一组接收天线的传输馈线长度不宜相差过大。芯片距离同组内位于中间的接收天线单元距离约为4.5d，距离位于两侧的接收天线单元距离不宜超过8d，否则传输线长度相差过大，因此可估算出2*(8d2-4.5d2)0.5≈13d，因此每组接收天线的间距D1应小于13d，否则会对后续的通道校准以及合成的系统方向图准确性产生影响。而在部分距离较近的天线单元之间则需要采用适当的提高隔离度的手段，包括但不限于增加寄生天线或EBG结构等。任意相邻两组接收天线的距离D2也不宜过近，否则会产生信号的串扰，加剧接收端的不同步。根据工程经验，当间距D2大于2d时，信号间的串扰较小，还需为天线物理结构留出一定的余量，因此间距D2应大于3d。除此以外，还需考虑可加工性，例如天线单元需要与射频芯片保持一定的距离，避让芯片附近的各类电路，为了使雷达射频板具有电磁兼容性，需要把天线放置在距离各类电路至少2d～3d以外，同时还需考虑它们的物理尺寸，一个常见的0402封装的阻容长度大约为1d，因此天线单元与这类结构的距离需要不小于4d。

步骤4：根据角分辨力的设计目标分别计算得到方位和俯仰两个维度所需的天线阵列孔径大小，孔径A的计算公式为：A＝λ/θ_res，θ_res为角分辨力的大小。虚拟的MIMO阵列的孔径需要大于等于A。

步骤5：在确定了阵列孔径之后，还需对角度估计的可靠性进行考虑。该指标可以通过数字域中(可见范围内)，目标所对应的峰值与两侧噪声干扰的峰值幅度的差值大小进行衡量。在孔径较大的前提下，往往只有稀疏布阵才能满足要求。数字波束形成(DigitalBeam Forming，DBF)是进行角度估计的一个前置环节，只有当DBF的结果具有足够的可靠性，后续才能于初步解算出的目标角度位置邻域内进行进一步搜索，从而正确估计出目标精确的到达角。DBF实质上是一个空域范畴内的对快拍信号进行加权求和的过程，通过在接收端进行数字波束合成，从而保留天线孔径内的有效信息。为了获得高角度估计可靠性，首先需要避免合成波束的副瓣过高造成对目标到达角的错误判断，其次需要避免合成波束的栅瓣产生保证在±90度内无模糊，虚拟阵列中天线单元的排布不宜过于分散。以对数坐标而言，真实目标对应的主瓣高度与其余副瓣高度的差值需大于12.5。在另一实施例中，均匀直线阵的主瓣幅度与第一副瓣的幅度差值为13.5。

步骤6：将天线单元的相位中心作为该天线单元位置的基准，需在满足上述对天线阵列布局的限制条件后，将所有的天线单元位置(xi,yj)(包括了方位维位置与俯仰维位置)作为寻优参数，并通过将上述限制条件作为自适应循环，并将对数坐标下的目标对应的主瓣高度与其余副瓣高度的差值作为收敛条件，从而找到局部最优解，也就是找到恰当的各天线单元位置结果，由此通过计算找到恰当的结果。

另一方面，本申请还提供一种存储介质，具体地，存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上所述的雷达天线阵列布局方法的步骤。

如上所述，本申请提供的雷达天线阵列布局方法、终端和存储介质通过采用多芯片级联的方法有效增加了天线的通道个数，并同时考虑了方位和俯仰两个维度的角度估计问题，同时有效利用了接收和发射天线进行布局，在合理的稀疏布局下，采用了MIMO技术，从而获得很大的阵列孔径，使角度分辨能力得到极大提升，除此以外，本申请中阵列的接收端信号具有高信噪比的特点，在方位和俯仰两个维度都不存在角度模糊，因此具有很高的可靠性。

需要说明的是，在本申请中，采用了诸如S10、S20等步骤代号，其目的是为了更清楚简要地表述相应内容，不构成顺序上的实质性限制，本领域技术人员在具体实施时，可能会先执行S20后执行S10等，但这些均应在本申请的保护范围之内。

在本申请提供的雷达天线阵列布局终端和存储介质的实施例中，可以包含任一上述方法实施例的全部技术特征，说明书拓展和解释内容与上述方法的各实施例基本相同，在此不再做赘述。

本申请实施例还提供一种计算机程序产品，计算机程序产品包括计算机程序代码，当计算机程序代码在计算机上运行时，使得计算机执行如上各种可能的实施方式中的方法。

本申请实施例还提供一种芯片，包括存储器和处理器，存储器用于存储计算机程序，处理器用于从存储器中调用并运行计算机程序，使得安装有芯片的设备执行如上各种可能的实施方式中的方法。

可以理解，上述场景仅是作为示例，并不构成对于本申请实施例提供的技术方案的应用场景的限定，本申请的技术方案还可应用于其他场景。例如，本领域普通技术人员可知，随着系统架构的演变和新业务场景的出现，本申请实施例提供的技术方案对于类似的技术问题，同样适用。

上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

本申请实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。

本申请实施例设备中的单元可以根据实际需要进行合并、划分和删减。

在本申请中，对于相同或相似的术语概念、技术方案和/或应用场景描述，一般只在第一次出现时进行详细描述，后面再重复出现时，为了简洁，一般未再重复阐述，在理解本申请技术方案等内容时，对于在后未详细描述的相同或相似的术语概念、技术方案和/或应用场景描述等，可以参考其之前的相关详细描述。

在本申请中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本申请技术方案的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本申请记载的范围。

以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种雷达天线阵列布局方法，其特征在于，所述雷达天线阵列布局方法基于多芯片级联连接方式，所述雷达天线阵列布局方法包括：

获取目标天线阵列的最远需求探测距离，根据所述最远需求探测距离确定目标天线阵列的目标增益和尺寸区间；

所述目标天线阵列的部分天线单元同时用于方位角和俯仰角探测，根据复用于对应方位维度和俯仰维度的天线单元数量以及虚拟阵列中重复的天线单元数量的限制，分别确定用于方位维度的天线个数和俯仰维度的天线个数；

根据所述目标增益、尺寸区间、天线个数和角度分辨力目标，在目标天线阵列的可布局范围内确定单元间距的约束条件；

根据所述单元间距的约束条件以及可靠性的设计目标，确定目标天线阵列中各单元的位置。

2.根据权利要求1所述的雷达天线阵列布局方法，其特征在于，所述根据所述最远需求探测距离确定目标天线阵列的目标增益的步骤中，按照以下表达式计算：

P_r＝P_tGσA_e/4πR⁴

其中，P_r为雷达的接收功率，P_t为雷达的发射功率，G为天线增益，σ为雷达散射截面积，A_e为天线孔径，π为圆周率，R为目标与雷达的距离。

3.根据权利要求2所述的雷达天线阵列布局方法，其特征在于，所述根据所述最远需求探测距离确定目标天线阵列的尺寸区间的步骤中包括：

当所述最远需求探测距离位于第一距离区间时，按照所述目标天线阵列的阵元并联方式确定所述目标天线阵列的物理尺寸与探测波长之间的第一关系；

当所述最远需求探测距离位于第二距离区间时，按照所述目标天线阵列的阵元串联方式确定所述目标天线阵列的物理尺寸与探测波长之间的第二关系。

4.根据权利要求3所述的雷达天线阵列布局方法，其特征在于，所述目标天线阵列的部分天线单元同时用于方位角和俯仰角探测，根据复用于对应方位维度和俯仰维度的天线单元数量以及虚拟阵列中重复的天线单元数量的限制，分别确定用于方位维度的天线个数和俯仰维度的天线个数的步骤中包括：

将位于同一高度不同水平位置的发射天线和接收天线组成一个用于方位角探测的方位虚拟阵列，在所述方位虚拟阵列中，排列位置重复的天线单元数量小于等于第一数量阈值；

将位于同一水平不同高度位置的发射天线和接收天线组成一个用于俯仰角探测的俯仰虚拟阵列，在所述俯仰虚拟阵列中，排列位置重复的天线单元数量小于等于第二数量阈值。

5.根据权利要求4所述的雷达天线阵列布局方法，其特征在于，所述根据所述目标增益、尺寸区间、天线个数和角度分辨力目标，在目标天线阵列的可布局范围内确定单元间距的约束条件的步骤包括以下至少一项：

当同类型天线相邻设置时，所述天线间距大于所述同类型天线物理尺寸的最大值；

当不同类型天线相邻放置时，所述天线间距大于所述不同类型天线物理尺寸的平均值。

6.根据权利要求4所述的雷达天线阵列布局方法，其特征在于，所述根据所述目标增益、尺寸区间、天线个数和角度分辨力目标，在目标天线阵列的可布局范围内确定单元间距的约束条件的步骤包括：

根据级联的多个芯片的数量，将接收天线分为数量相同的多个接收天线组；

确定任一芯片距离同组内位于中间的接收天线单元的距离与探测波长之间的第三关系，确定任一芯片距离同组内两侧的接收天线单元距离与探测波长之间的第四关系；

根据所述第三关系和所述第四关系，确定每组接收天线的天线间距与与探测波长之间的第五关系。

7.根据权利要求4所述的雷达天线阵列布局方法，其特征在于，所述根据所述目标增益、尺寸区间、天线个数和角度分辨力目标，在目标天线阵列的可布局范围内确定单元间距的约束条件的步骤包括：

根据目标天线阵列的最大可布局范围分别计算方位维度和俯仰维度的天线阵列真实孔径最大值，以确定接收天线的最大间距；

根据所述方位维度的天线阵列真实孔径最大值、俯仰维度的天线阵列真实孔径最大值和目标天线阵列的角度分辨力目标，确定用以组成虚拟阵列的发射天线的最大间距。

8.根据权利要求1-7任一项所述的雷达天线阵列布局方法，其特征在于，所述根据单元间距的约束条件以及可靠性的设计目标，确定目标天线阵列中各单元的位置的步骤包括：

分别将所述天线单元的相位中心作为位置基准，以各天线单元位置基准作为寻优参数，根据所述单元间距的约束条件以及可靠性的设计目标做自适应循环；

将对数坐标下的探测目标对应的数字合成波束主瓣高度与副瓣高度的差值作为收敛条件，计算局部最优解，作为所述目标天线阵列的位置布局结果。

9.一种雷达天线阵列布局终端，其特征在于，所述雷达天线阵列布局终端包括处理器和存储器；

所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序能够被所述处理器执行，以实现如权利要求1-8任一项所述的雷达天线阵列布局方法的步骤。

10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质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权利要求1-8任一项所述的雷达天线阵列布局方法的步骤。