毫米波雷達(dá)的發(fā)展趨勢是智能+高分辨

談?wù)勎覍?duì)4D Radar 天線布局的思考，對(duì)應(yīng)上一篇（如何做好一款4D 高分辨毫米波雷達(dá)）中所述RSP所包含方面的Antenna Array Design （Azimuth/Elevation）（ULA/NLA/MRA） 部分。

我們暫不討論天線本身的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，包括天線方向圖，極化方式等等。我們更關(guān)注于滿足4D Radar功能及應(yīng)用需求下的天線布局設(shè)計(jì)， 以下討論是針對(duì)自動(dòng)泊車等應(yīng)用的短距高分辨4D雷達(dá)天線布局設(shè)計(jì)。而對(duì)于中距或者長距雷達(dá)及對(duì)應(yīng)的應(yīng)用在這暫不討論。

對(duì)上述標(biāo)注句子提取關(guān)鍵字，分別是自動(dòng)泊車，高分辨，4D，分別對(duì)應(yīng)天線布局設(shè)計(jì)的技術(shù)要求。具體說來，自動(dòng)泊車應(yīng)用要求較大FoV，高分辨意味著大天線孔徑，4D意味著具備方位及俯仰目標(biāo)辨別能力。在這幾點(diǎn)基礎(chǔ)上還要求測角無模糊以及測角魯棒性高（抗干擾能力強(qiáng)）。總結(jié)一下：

FoV（》150度）

Azimuth Resolution（《2度）

Unambiguous Azi & Ele

measurement capability

Robust measurement

High measurement accuracy

上面幾點(diǎn)有些是互相矛盾的，提高某一指標(biāo)的同時(shí)可能要犧牲另一個(gè)指標(biāo)，所以設(shè)計(jì)某一滿足條件的天線布局往往是各變量綜合博弈與妥協(xié)的過程，并且一定要與具體應(yīng)用，DoA算法結(jié)合起來，更要與工藝制造，硬件設(shè)計(jì)（緊湊設(shè)計(jì)），生產(chǎn)成本結(jié)合起來，所以沒有一款能夠一招鮮，吃遍天的布局設(shè)計(jì)，往往沒有最好，只有最匹配與最合適。

這篇文章首先從俯仰測角如何影響天線布局給出一些思考，其他影響因素及綜合分析會(huì)在以后的公眾號(hào)文章中陸續(xù)更新。

一般傳統(tǒng)MIMO automotive radar 方位角求解基于波束賦形（3D FFT），那么很自然的聯(lián)想，如果要加入俯仰分辨能力，能不能也基于波束賦形（4D FFT），帶來的結(jié)果是所述布局必須是一個(gè)面陣，如圖1所示是其中一種設(shè)計(jì)。

圖1 面陣設(shè)計(jì)

圖1中上圖是原始物理布局，下圖是MIMO虛擬陣列布局，對(duì)照之前所述指標(biāo)，這樣的布局往往滿足你對(duì)4D Radar天線的所有想象，但是卻不適合車載雷達(dá)工程應(yīng)用，原因可以自己思考。所以從滿足方位及俯仰探測角度講，我們往往尋求圖1面陣的低配版。需要指出的是，從系統(tǒng)需求角度，我們對(duì)方位角的重視程度要遠(yuǎn)大于俯仰角，所以對(duì)于俯仰測角我們希望采用更具性價(jià)比的方式。Bosch GmbH發(fā)表的論文給出了如圖2 的參考設(shè)計(jì)。

圖2 面陣布局“低配版”圖2中上圖是原始物理布局，下圖是MIMO虛擬陣列布局，這種設(shè)計(jì)往往在俯仰角求解上存在妥協(xié)（如4D FFT點(diǎn)數(shù)變少等）。但圖2 設(shè)計(jì)用于實(shí)際工程也是困難的。特別是天線設(shè)計(jì)要與商用集成式毫米波雷達(dá)芯片收發(fā)天線數(shù)目及位置匹配。并且目前大多數(shù)車載雷達(dá)都傾向于采用微帶天線，特別是Series Feed Patch Arrays，這給實(shí)際布局帶來新的挑戰(zhàn)。如圖3所示，TI公司給出的imaging radar demo板天線布局雖然能實(shí)現(xiàn)較好的方位及俯仰測角，但并不能說是好的布局，尤其給后續(xù)天線校準(zhǔn)帶來高要求。而且類似的芯片級(jí)聯(lián)方案目前成本較高。
所以結(jié)合現(xiàn)階段商用集成雷達(dá)芯片的“高性價(jià)比”方案，俯仰角求解往往Monopulse方式更合適（類似布局如圖4所示），再結(jié)合MIMO體制更一步提高信噪比。相當(dāng)于只用一根天線做俯仰角，俯仰面該天線與其他天線錯(cuò)開距離滿足FoV內(nèi)不模糊即可，而且俯仰面往往沒有分辨率要求，犧牲的精度可以通過后續(xù)算法解決（時(shí)間累積/目標(biāo)分類等）。后續(xù)芯片成本或者天線工藝成本降低可進(jìn)一步通過芯片級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)改善天線設(shè)計(jì)，從而提高俯仰測角精度。

圖4 Monopulse布局目前車載雷達(dá)俯仰角的測量方式有很多，如圖6所示，ADC GmBH的ARS 300系列采用機(jī)械掃描方式進(jìn)行俯仰角測量（個(gè)人感覺這類技術(shù)較為過時(shí)了），如今ARS都出到ARS 600系列（如圖7所示）了，并且ARS 600就是4D高分辨雷達(dá)，其俯仰測量方式目前未知。Bosch的MRR采用俯仰面天線方向圖幅值比來計(jì)算俯仰角，感興趣的可以參考文獻(xiàn)［4］。但是對(duì)于短距離高分辨4D Radar，基于相位的方式更合適。

圖5 基于方向圖的俯仰角測量（Bosch MRR）

圖6 ARS 300（ADC GmBH）圖7 ARS 600（ADC GmBH）國外初創(chuàng)公司重點(diǎn)關(guān)注Oculii，這貨戲太多，有事沒事來中國吹牛逼，不過人家刷子還是有兩把的，由于它主推4D Radar，我一直在重點(diǎn)關(guān)注，其天線布局類似于圖8類型，這種布局相當(dāng)有意思，以后會(huì)詳談，不過可以看出，其俯仰角測量是基于4D FFT的，或者采用超分辨算法，實(shí)際效果如圖9所示。個(gè)人感覺成本還是高的，芯片還要定制，所以這就是Oculii與英飛凌合作的原因之一？

圖8 Oculii 布局方案（推測）

來源：毫米波雷達(dá)技術(shù)雜貨鋪公眾號(hào)

原文標(biāo)題：4D雷達(dá)天線布局思考-俯仰角篇

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