CN109444891A - 一种毫米波雷达天线系统及解耦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毫米波雷达天线系统和解耦方法，所述天线系统包括天线阵列、主处理器和基带处理电路，所述天线阵列包括至少2条发射天线及至少2条接收天线，主处理器的发射信号经过发射天线辐射至目标物，接收天线接收目标反射信号，信号经主处理器混频至基带后，由基带处理电路分析计算得到各目标参数。与同等性能雷达相比，所述天线系统采用单处理芯片集成方案，成本较低，主板及天线排布更为紧凑。采用所述解耦方法，可计算得到目标方位及俯仰角，并且由MIMO等效虚拟阵列原理，上述天线系统可虚拟出更多的接收通道，提高方位角测量分辨率。利用所述天线系统中的单脉冲天线结构，可解决在接收天线间隔较大时，主波束成形方位角测角模糊的问题。

Description

一种毫米波雷达天线系统及解耦方法

技术领域

本发明涉及一种天线系统及解耦方法，特别涉及一种毫米波雷达天线系统及解耦方法。

背景技术

车载毫米波雷达作为一种提高汽车安全系数的主动预防设备，已经成为了各大汽车厂商及广大消费者关注的重点。雷达通过处理目标物的反射信号从而得到物体的距离、速度、角度等信息。主要原理为雷达内部首先产生一个特定的波形，其中小部分的波束信号被用作参考信号，而另外一大部分波束信号被天线辐射出去。被辐射出去的信号在传播过程中遇到目标则发生反射，反射回来的信号被接收天线接收并与参考信号进行混频，雷达板上的基带电路可以对此混频信号进行处理，得到本车与其他目标物的相对速度、方位角、距离等信息。系统对这些信息进行判断，当系统认定有危险时，会自动进行减速、刹车等，以此保护汽车行驶安全。在车辆行驶过程中，对于无俯仰测角能力的车载雷达，会将有些对于驾驶安全几乎无影响的交通关联物(如路中央的易拉罐，窨井盖等)，以及正常行驶道路中的隧道、桥洞等，视为危险目标，从而采取紧急制动措施，严重影响驾驶体验及驾驶员生命安全；因此，车载毫米波雷达除了方位角测量，俯仰角测角能力也非常重要。

目前，毫米波雷达天线主要以微带贴片天线形式为主，大多采用多发多收(MIMO)的体制，而多发多收体制产生的等效多接收通道虽然可以提高信号信噪比，从而提高测距测角精度，但可能会存在以下几个不足：

1、毫米波雷达相邻接收天线之间的间隔较大时，主波束成形结果存在测角模糊，如毫米波雷达相邻接收天线之间的间隔大于0.5λ时，雷达方位角测角范围[-α_min,α_max]小于90度，当目标方位角α不在雷达测角范围内时，目标方位角会映射为一个在雷达测角范围内的角度α_m，从而雷达接收端无法判断该角度的真实数值是α还是α_m，即测角结果存在模糊性问题；

2、为了实现较高的分辨率，采用多芯片集成，成本非常高，雷达体积也较为庞大；

3、传统的三发四收体制在同时具备俯仰角与方位角测量功能时，虚拟出的接收通道往往较少，导致方位角分辨率较低。

有鉴于此，本发明人对此进行研究，专门开发出一种毫米波雷达天线系统及解耦方法，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的是提供一种毫米波雷达天线系统及解耦方法。

为了实现上述目的，本发明的解决方案是：

一种毫米波雷达天线系统，包括天线阵列、主处理器和基带处理电路，所述天线阵列包括至少2条发射天线，以及至少2条接收天线，主处理器的发射信号经过发射天线辐射至目标物，接收天线接收被目标物反射回来的信号，所述信号经过主处理器混频后，由基带处理电路分析计算得到各目标参数。

作为优选，所述每条发射天线包括至少一个线阵；所述每条接收天线包括至少一个线阵。

作为优选，所述线阵包括若干个贴片，所述贴片为宽度经过加权的贴片。通过对每个贴片的宽度进行加权，改变每个贴片的电流强度，继而改变线阵的整体电流分布，降低副瓣，加权方式采用切比雪夫分布，实现波束的等副瓣分布。

作为优选，所述天线阵列包括3条发射天线和4条接收天线。

作为优选，所述天线阵列包括依次设置的第一发射天线、第二发射天线、第一接收天线、第二接收天线、第三接收天线、第四接收天线和第三发射天线；其中，第一接收天线距离第二接收天线和第三接收天线中心的横向间隔为d_x3，其中，3λ≤d_x3≤4.5λ；第二接收天线、第三接收天线之间的横向间隔d_x4＝0.5λ，第四接收天线距离第二接收天线和第三接收天线中心的横向间隔d_x5＝d_x3，所述第一发射天线、第二发射天线之间的横向间隔d_x1＝d_x3/2，纵向间隔d_y1＝1.4λ，第二发射天线和第三发射天线之间的横向间隔d_x2＝3d_x3，纵向间隔为0；其中所述λ为载波波长。

一种毫米波雷达天线解耦方法，包括如下步骤：

1)天线阵列中的各个发射天线同时、同相发射信号，信号经目标物反射后，由各个接收天线接收；

2)根据MIMO等效虚拟阵列原理，等效虚拟得到由N条接收天线组成的虚拟天线阵列，N为实际接收天线数量与发射天线数量的乘积；

3)根据公式(1)计算得到虚拟天线阵列中每个接收天线中心的相位值：

其中n＝1,2,3…N，d_az为虚拟天线阵列各接收天线之间的横向间距，d_el为虚拟天线阵列各接收天线之间的纵向间距，λ为载波波长，θ为目标方位角，φ为俯仰角，得到虚拟天线阵列中接收天线的总相位集

4)根据功能不同将所述总相位集中的各个相位值设置成若干个子集，所述子集包括主波束集第一子波束集第二子波束集和单脉冲集中的其中一个或多个；

5)对所述主波束集进行谱估计算，得到目标方位角θ₁；对第一子波束集进行谱估计算，得到俯仰角φ；对第二子波束集进行谱估计算，得到目标方位角θ₂，对所述单脉冲集采用比相算法，得到无模糊的方位角。

作为优选，所述主波束集

作为优选，所述第一子波束集包括总相位集中前面一半的各个相位值，即

作为优选，所述第二子波束集包括总相位集中n为偶数时的各个相位值，即

作为优选，所述单脉冲集包括两根间隔为0.5λ的虚拟接收天线所对应的各个相位值。

本发明所述的毫米波雷达天线系统，采用单个主芯片处理器，成本较低，适合大规模量产；同时与同等性能雷达对比，本发明所述的天线排布更为紧凑，收发天线较少，雷达占用空间较小，有助于安装在狭小的车辆内部。采用上述解耦方法的毫米波雷达天线系统，可计算得到测量目标的方位角与俯仰角，在接收天线间隔较大时，利用2个子波束成形进行角度测量，解决主波束成形测角模糊性的问题；而且，在具备俯仰角、方位角测量功能的同时，可虚拟出更多的接收通道，进一步提高方位角测量分辨率。

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细描述。

附图说明

图1为本实施例的毫米波雷达天线系统工作原理图；

图2为本实施例的天线阵列的布局图；

图3为本实施例的虚拟天线阵列的布局图。

具体实施方式

本实施例所述的毫米波雷达天线系统2，可安装在车辆1的正前方或侧方，如图1所示，所述毫米波雷达天线系统2包括多发多收的天线阵列3、一个主处理器4和一个基带处理电路5，本实施例以三发四收的天线阵列进行详细描述。所述天线阵列3包括依次排列的第一发射天线TX1、第二发射天线TX2、第一接收天线RX1、第二接收天线RX2、第三接收天线RX3、第四接收天线RX4和第三发射天线TX3。各发射天线和接收天线为微带天线阵列，工作频率位于汽车雷达规定使用范围(76～81GHz)。

在本实施例中，所述第一发射天线TX1、第二发射天线TX2、第三发射天线TX3均为一个线阵，也可以采用二个线阵或三个线阵的发射天线。当有2个以上的线阵时，需要用功分器进行连接。所述第一接收天线RX1和第四接收天线RX4结构相同，均包括功分器，以及串联在功分器上的两个线阵，所述第二接收天线RX2、第三接收天线RX3结构相同，采用一个线阵，其波束较宽，增益相对发射天线较低一些。串联在同一个功分器上的相邻两个线阵之间的间隔为0.5λ，所述λ为载波波长(即工作波长)，如中心频率76.5GHz处的自由空间波长。

如图2所示，在X-Y坐标系中，横向间隔是指沿X轴方向的间隔，纵向间隔是指沿Y轴方向的间隔，所述第一发射天线TX1和第二发射天线TX2之间的横向间隔d_x1＝1.5λ，纵向间隔d_y1＝1.4λ，第二发射天线TX2和第三发射天线TX3之间的横向间隔d_x2＝9λ，纵向间隔为0(即，在同一水平面上)；第一接收天线RX1距离第二接收天线RX2和第三接收天线RX3中心的横向间隔为d_x3＝3λ，第二接收天线RX2、第三接收天线RX3之间的横向间隔为d_x4＝0.5λ，第四接收天线RX4距离第二接收天线RX2和第三接收天线RX3中心的横向间隔为d_x5＝3λ，第一接收天线RX1、第二接收天线RX2、第三接收天线RX3、第四接收天线RX4的纵向间隔为0(即，在同一水平面上)；所述第二发射天线TX2(或第三发射天线TX3)与各接收天线的纵向间隔为d_y2，d_y2的值可以根据雷达版图布局合理调节，不影响计算结果。

本实施例中各发射天线和接收天线的线阵包括10个贴片，所述贴片为宽度经过加权的贴片，沿着y轴方向采用幅度加权的方式降低副瓣。通过对每个贴片的宽度进行加权，改变每个贴片的电流分布，降低副瓣，加权方式采用切比雪夫分布，实现波束的等副瓣分布。

一般发射天线贴片多些，增益较大，可以用于提高目标检测距离。而接收天线贴片少些，波束较宽，可以用于扩大目标检测角度。在实际使用过程中，有的不需要测试太远的距离，而有的需要扩展检测角度等，可以根据雷达实际测试需求而定。

上述毫米波雷达天线系统2的第一发射天线TX1、第二发射天线TX2、第三发射天线TX3同时将主处理器4的信号辐射出去，电磁波在空间传播过程中遇到目标物6并被目标物6反射回被设置在不同位置的第一接收天线RX1、第二接收天线RX2、第三接收天线RX3、第四接收天线RX4，然后主处理器4将此高频信号与本振信号进行混频，传输至基带电路5中进行处理，因为相邻2个接收天线之间有一定的间隔，这将导致每根接收天线接收到的信号具有一定的相位差。通过对此相位差进行处理，可得到目标物6的多个角度信息。

本实施例所述的三发四收体制毫米波雷达天线系统，采用单个主芯片处理器，成本较低，适合大规模量产；同时与同等性能雷达对比，本发明所述的天线排布更为紧凑，收发天线较少，雷达占用空间较小，有助于安装在狭小的车辆内部。

基于上述三发四收体制的毫米波雷达天线系统的解耦方法，包括如下步骤：

1)天线阵列中的第一发射天线TX1、第二发射天线TX2、第三发射天线TX3同时、同相发射信号，发射出的信号经目标物6反射后，由第一接收天线RX1、第二接收天线RX2、第三接收天线RX3、第四接收天线RX4接收。

2)根据MIMO等效虚拟阵列原理，等效虚拟得到由12条(3*4)接收天线组成的虚拟天线阵列，如图3所示，其等效的虚拟接收天线阵列可以表示为：{RX1，RX2，RX3+RX4，RX5+RX6，RX7，RX8，0，RX9，0，RX10+RX11，0，RX12}

与之对应的虚拟接收天线阵列的总相位集为：

3)根据公式(1)计算得到虚拟天线阵列中每个接收天线中心的相位值：

其中n＝1,2,3,4L 12，d_az为虚拟天线阵列各接收天线之间的横向间距，d_el为虚拟天线阵列各接收天线之间的纵向间距，在本实施例中，优选d_az＝1.5λ，d_el＝1.4λ，λ为载波波长，θ为目标方位角，φ为俯仰角。

4)根据功能不同将所述虚拟接收天线的总相位集中的各个相位值设置成若干个子集，每个子集分别用于计算不同的参数，子集的数量根据实际需求而定，在本实施例中，所述子集包括主波束集(Main-beamformer)、第一子波束集(Sub-beamformer1)、第二子波束集(Sub-beamformer2)和单脉冲集(Monopulse)，其中，所述主波束集包括总相位集中的所有相位值，即所述第一子波束集包括总相位集中的前面一半的相位值，即所述第二子波束集包括总相位集中n为偶数时的各个相位值，即所述单脉冲集包括两根间隔为0.5λ的虚拟接收天线所对应的各个相位值，即

5)对所述主波束集采用最大似然估计算法估计得到目标方位角所对应的频率，从而估计得到方位角θ₁。最大似然估计算法计算量较大，常用的简化算法为傅里叶变换，获得的结果为最大似然算法结果的近似值。此外，超分辨算法如MUSIC算法，ESPIRIT算法等因具有更高的角度分辨率而被广泛用于角度估计。由主波束集计算得到的目标方位角θ₁，因为主波束集成形中参与FFT的相位最多，目标方位的积累增益最大，因而有最大的信噪比；单目标场景下的目标方位分辨能力最佳；对于具有相似方位角的多目标分辨能力较好；

6)对所述第一子波束集采用最大似然估计算法估计得到目标俯仰角所对应的频率，从而估计得到俯仰角φ。最大似然估计算法计算量较大，常用的简化算法为傅里叶变换，获得的结果为最大似然算法结果的近似值。的傅里叶变换得到两个局部峰值，该局部峰值之比与俯仰角有明确的数学关系，依据此数学关系计算俯仰角。此外，超分辨算法如MUSIC算法，ESPIRIT算法等因具有更高的角度分辨率而被广泛用于俯仰角度估计。

7)对所述第二子波束集采用最大似然估计算法估计得到目标方位角所对应的频率，从而估计得到方位角θ₂。最大似然估计算法计算量较大，常用的简化算法为傅里叶变换，获得的结果为最大似然算法结果的近似值。此外，超分辨算法如MUSIC算法，ESPIRIT算法等因具有更高的角度分辨率而被广泛用于方位角度估计。因为第二子波束成形不受俯仰角信息影响，可以准确估计方位角信息。并且该结果在多目标场景下的方位角测角精度相对最佳，且具有相对较好的多目标分辨能力。不过，由于第二波束子集天线间隔大于λ/2，雷达方位角测角范围[-α_min,α_max]小于90度，当目标方位角α不在雷达测角范围内时，目标方位角会映射为一个在雷达测角范围内的角度α_m，从而雷达接收端无法判断该角度的真实数值是α还是α_m，即测角结果存在测角模糊，例如，第二子波束集中对应天线间隔为3λ/2时，测角范围为正负19.5度，则对于41.8度或-41.8度的方位角都会映射为0度，所以当雷达接收端测得0度角时，无法判断是0度，41.8度还是-41.8度，即存在测角模糊。

8)对于所述单脉冲集采用比相算法，从而解测角模糊。具体而言，集合的三个相位值分别对应三组单脉冲测角结构，每组测角结构由两根间隔为λ/2的天线构成，其测角范围是正负90度。目标回波导致两根天线一定的相位差，采用比相算法可以获得目标方位角，对三组相位值分别计算得到的目标方位角加权求和，用于提高测角信噪比。采用步骤8得到的方位角不存在模糊，但精度较低。如前所述，由于步骤7第二波束子集测得的方位角精度高，但存在测角模糊，即无法确定方位角的具体数值，而步骤8得到的方位角不存在模糊可以解测角模糊，从而获得高精度方位角。例如，当步骤7存在0，-41.8度，41.8度等模糊角度时，单脉冲测得角度为45度，虽然该角度可能精度不高，但足以解测角模糊，即确定步骤7的方位角是41.8度。

采用上述三发四收体制的毫米波雷达天线系统的解耦方法，可计算得到目标方位及俯仰角，并且由MIMO等效虚拟阵列原理，上述天线系统可虚拟出更多的接收通道，提高方位角测量分辨率。利用所述天线系统中的单脉冲天线结构，可解决在接收天线间隔较大时，主波束成形方位角测角模糊的问题。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其他实施例。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适+应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。

Claims (10)

1.一种毫米波雷达天线系统，其特征在于：包括天线阵列、主处理器和基带处理电路，所述天线阵列包括至少2条发射天线及至少2条接收天线，主处理器的发射信号经过发射天线辐射至目标物，接收天线接收被目标物反射回来的信号，所述信号经过主处理器混频后，由基带处理电路分析计算得到各目标参数。

2.如权利要求1所述的一种毫米波雷达天线系统，其特征在于：所述每条发射天线包括至少一个线阵；所述每条接收天线包括至少一个线阵。

3.如权利要求1所述的一种毫米波雷达天线系统，其特征在于：所述线阵包括若干个贴片，所述贴片为宽度经过加权的贴片。

4.如权利要求1所述的一种毫米波雷达天线系统，其特征在于：所述天线阵列包括3条发射天线和4条接收天线。

5.如权利要求4所述的一种毫米波雷达天线系统，其特征在于：所述天线阵列包括依次设置的第一发射天线、第二发射天线、第一接收天线、第二接收天线、第三接收天线、第四接收天线和第三发射天线；其中，第一接收天线距离第二接收天线和第三接收天线中心的横向间隔为d_x3，其中，3λ≤d_x3≤4.5λ；第二接收天线、第三接收天线之间的横向间隔d_x4＝0.5λ，第四接收天线距离第二接收天线和第三接收天线中心的横向间隔d_x5＝d_x3，所述第一发射天线、第二发射天线之间的横向间隔d_x1＝d_x3/2，纵向间隔d_y1＝1.4λ，第二发射天线和第三发射天线之间的横向间隔d_x2＝3d_x3，纵向间隔为0；其中所述λ为载波波长。

6.一种毫米波雷达天线解耦方法，其特征在于包括如下步骤：

1)天线阵列中的各个发射天线同时、同相发射信号，信号经目标物反射后，由各个接收天线接收；

2)根据MIMO等效虚拟阵列原理，等效虚拟得到由N条接收天线组成的虚拟天线阵列，N为实际接收天线数量与发射天线数量的乘积；

3)根据公式(1)计算得到虚拟天线阵列中每个接收天线中心的相位值：

其中n＝1,2,3…N，d_az为虚拟天线阵列各接收天线之间的横向间距，d_el为虚拟天线阵列各接收天线之间的纵向间距，λ为载波波长，θ为目标方位角，φ为俯仰角，得到虚拟天线阵列中接收天线的总相位集

4)根据功能不同将所述总相位集中的各个相位值设置成若干个子集，所述子集包括主波束集第一子波束集第二子波束集和单脉冲集中的其中一个或多个；

5)对所述主波束集进行谱估计算，得到目标方位角θ₁；对第一子波束集进行谱估计算，得到俯仰角φ；对第二子波束集进行谱估计算，得到目标方位角θ₂，对所述单脉冲集采用比相算法，得到无模糊的方位角。

7.如权利要求6所述的一种毫米波雷达天线解耦方法，其特征在于：所述主波束集

8.如权利要求6所述的一种毫米波雷达天线解耦方法，其特征在于：所述第一子波束集包括总相位集中前面一半的各个相位值，即

9.如权利要求6所述的一种毫米波雷达天线解耦方法，其特征在于：所述第二子波束集包括总相位集中n为偶数时的各个相位值，即

10.如权利要求6所述的一种毫米波雷达天线解耦方法，其特征在于：所述单脉冲集包括两根间隔为0.5λ的虚拟接收天线所对应的各个相位值。