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毫米波雷達(dá)角度維性能（包括方位角性能以及俯仰角性能）一直是讓算法工程師最操心的環(huán)節(jié)之一，處理得好，就是產(chǎn)品的核心賣(mài)點(diǎn)之一，甚至成為核心技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力；處理得不好，即便東西賣(mài)出去，也少不了客戶不間斷隨機(jī)問(wèn)候。事實(shí)上，角度維性能影響因素太多了，包括但不限于天線設(shè)計(jì)，天線布局設(shè)計(jì)，通道校準(zhǔn)與補(bǔ)償，角度自校準(zhǔn)，溫度影響補(bǔ)償，DoA算法等等，哪怕有一塊做得不夠透徹，都會(huì)成為雷達(dá)產(chǎn)品的短板。
這一期加餐聚焦于雷達(dá)布局設(shè)計(jì)。
既然講到布局，已經(jīng)默認(rèn)的前提是MIMO雷達(dá)，MIMO雷達(dá)有什么好處，可以考古往期文章。
那么我們講MIMO雷達(dá)的天線布局問(wèn)題。
基本的，我們需要考慮3條原則：
確定方位及俯仰功能（功能層面）；
確定方位及俯仰孔徑（性能層面）；
方位及俯仰無(wú)模糊；
功能層面得按功能定義，如果雷達(dá)需要俯仰維度，那布局設(shè)計(jì)中需要考慮用于俯仰測(cè)角的陣元。定義好功能，也就是確定雷達(dá)在角度維能干什么，是只能測(cè)方位角還是方位俯仰一鍋端。
確定好能干什么之后，下面就要考慮能不能干好的問(wèn)題，也就是關(guān)注方位和俯仰的性能，那最佳的狀態(tài)就是：理論上±90度范圍內(nèi)無(wú)模糊測(cè)角，且在該范圍內(nèi)獲得方位及俯仰盡可能高的分辨率及精度。
當(dāng)然，這是美好的期望狀態(tài)，實(shí)際工程中幾乎是達(dá)不到的，不過(guò)也沒(méi)必要達(dá)到，因?yàn)樵谲?chē)載領(lǐng)域，我們還有一些不錯(cuò)的合理假設(shè)幫我們做取舍，
方位角的性能重要程度要高于俯仰角；
俯仰角通常具有遠(yuǎn)小于方位角的FoV；
對(duì)于第1條假設(shè)，給我們的啟示是，我們可以偏心得講更多的陣元資源（甚至全部陣列資源）導(dǎo)向方位維度，俯仰維度不愿意不開(kāi)心也莫得辦法。
對(duì)于第2條假設(shè)，給我們的啟示是，俯仰維度可能容忍一定的角度模糊度，這樣，我們可以在俯仰維度可以設(shè)計(jì)更高的垂直孔徑，從而在相當(dāng)有限的俯仰陣列資源下獲得更高的俯仰估計(jì)性能。
基于3條原則，2條假設(shè)，我們由淺入深看一些有意思的例子，看看實(shí)際工程中大家是如何思考問(wèn)題的。
▲ 3T4R 基礎(chǔ)布局
如圖所示，對(duì)于3TX4RX的情況，給出了兩種基礎(chǔ)布局。先看右邊的布局，這是狠心拋棄俯仰，全部押注方位的下場(chǎng)，并且，天線布局中天線間隔為二分之一波長(zhǎng)，也不用擔(dān)心模糊問(wèn)題。可以說(shuō)，這是最普遍的，最經(jīng)典也是最基礎(chǔ)的3TX4RX布局。左邊的圖是引入了俯仰，也即是將其中一根發(fā)射天線用于俯仰，使得方位角性能瞬間打回2TX4RX狀態(tài)，俯仰獲得了兩個(gè)陣元，能夠進(jìn)行Monopulse 俯仰估計(jì)，坦率講，這兩個(gè)陣元也是捉襟見(jiàn)肘，不過(guò)有總比沒(méi)有好啊。
這兩種經(jīng)典布局目前是最普遍的，用的也是最多的，而且性能是比較穩(wěn)定的，算法上的要求也不高，但是如前所述，這是基礎(chǔ)布局，還有提升空間，比如在收發(fā)陣列數(shù)目不變的條件下，進(jìn)一步提高陣列孔徑，獲得更高的方位及俯仰估計(jì)性能。
你是不是經(jīng)常看到Continental, BOSCH，Hella等等大廠的雷達(dá)有各種3TX4RX的奇怪布局，那些唬人的布局都是在2條假設(shè)下，更好的貫徹那3條設(shè)計(jì)原則。下面跟隨我的腳步看看大廠又有哪些騷操作。
需要指出哈，以下評(píng)述的所有策略及方法僅供學(xué)習(xí)參考，并不代表大廠的最終實(shí)際產(chǎn)品算法部署。
Hella SRR
這是Hella最新的SRR，77GHz，NXP的前端，不過(guò)Hella配置為2TX4RX，布局很有意思，物理布局以及虛擬陣列布局示意圖如下，
▲ Hella SRR Antenna Layout
右下角是等效天線布局，其中“x”位置為陣元缺失位置，乍一看有點(diǎn)摸不著頭腦，這都是啥？稀疏陣列？稀疏面陣？
別慌，在2條假設(shè)的前提下，這都可以用3條原則解釋。
顯然，Hella的這個(gè)布局包含方位及俯仰感知；
水平孔徑有9個(gè)單位，垂直孔徑有3個(gè)單位；
水平孔徑陣元間隔大于半波長(zhǎng)，可能需要解角度模糊；
按照2TX4RX的經(jīng)典布局，最多只能獲得8個(gè)單位的方位孔徑，沒(méi)有俯仰，那Hella的亮點(diǎn)在于在俯仰上盡然安排了3個(gè)陣元，這是3TX4RX都不敢想的，好奢侈，不過(guò)這是有代價(jià)的，代價(jià)有兩點(diǎn)，
水平雖然孔徑為9個(gè)單位，但是陣列稀疏，需要特殊DoA算法配合；
垂直陣列并不在一條垂直線上，需要方位去耦；
▲ Hella SRR Beamformer
上述特殊的DoA算法不止一種，這里給出其中一種我的思考。
這是一種多波束賦形策略，如上圖，配合Beamformer 1-4，就能夠得到方位及俯仰高精度估計(jì)。
其中Beamformer 1是孔徑最大，角度估計(jì)精度最高，不過(guò)角度模糊，需要解模糊。
其中Beamformer 2是可以用來(lái)測(cè)俯仰角，也可以用來(lái)降低Beamformer1的角度模糊數(shù)。
Beamformer 3垂直測(cè)量俯仰角（方位補(bǔ)償后）。
Beamformer 4用來(lái)解方位模糊。
小結(jié)，Hella的這個(gè)布局還是很有意思的，在2TX4RX條件下，保證方位估計(jì)精度（9個(gè)單位）條件下，俯仰維度竟然有3個(gè)陣元，amazing，不過(guò)話說(shuō)回來(lái)這種方式對(duì)SNR要求會(huì)高一些。
Veoneer SRR
veonner的SRR，77GHz，3TX4RX，陣元物理布局以及虛擬陣列如下圖。
▲ veoneer SRR Antenna Layout
同樣的，顯然，這個(gè)布局包含方位及俯仰感知；水平孔徑有13個(gè)單位，垂直孔徑有2個(gè)單位；水平孔徑陣元間隔大于半波長(zhǎng)，可能需要解角度模糊；
▲ veonner SRR Beamformer
veoneer這個(gè)布局分析和hella的差不多，我給出的一種DoA策略如上圖所示，亮點(diǎn)在于能夠獲得經(jīng)典3TX4RX的同等方位估計(jì)精度條件下，獲得俯仰角估計(jì)。雖然俯仰只有兩個(gè)陣元，不過(guò)還不錯(cuò)，總比沒(méi)有好。
Continental MRR
Continental MRR，77GHz，3TX4RX，陣元物理布局以及虛擬陣列如下圖。
▲ Continental MRR Antenna Layout
同樣的，顯然，這個(gè)布局包含方位及俯仰感知；水平孔徑有31個(gè)單位，垂直孔徑有2個(gè)單位；水平孔徑陣元間隔大于半波長(zhǎng)，需要解角度模糊；
Conti的這個(gè)布局也很精妙，首先方位水平孔徑相當(dāng)大，好處當(dāng)然是獲得較高的方位估計(jì)精度及分辨率，但是模糊度很高，必須有解模糊策略。俯仰中規(guī)中矩，2個(gè)陣元。
▲ Continental MRR Beamformer
同樣的，我給出的一種DoA策略如上圖所示，從上至下，依次是Beamformer 1,2,3。Beamformer1用于獲得方位角度的模糊估計(jì)，Beamformer2用于測(cè)俯仰角，Beamformer3用于解方位角模糊。
ZF MRR
說(shuō)了這么多，來(lái)，該你發(fā)揮了，留個(gè)小作業(yè)，下圖是ZF的MRR，77GHz，3TX4RX，物理布局和虛擬陣列布局我?guī)湍惝?huà)好了，對(duì)照那3條準(zhǔn)則，你可以思考下，
這個(gè)陣列有什么優(yōu)勢(shì)？
水平及俯仰能夠獲得什么樣的精度？
嘗試給出一種DoA策略
▲ ZF MRR Antenna Layout
小結(jié)
可能你也注意到了，大廠的陣列基本都是稀疏的，目的都是為了提高角度估計(jì)精度，稀疏有稀疏的代價(jià)，但是都是可以通過(guò)合適的DoA策略加以解決，所以總的來(lái)講，這樣的代價(jià)很值得，能夠在有限的資源下，挖掘更多潛能。
另外需要注意的是，如前所述，大廠的這些布局方式無(wú)一例外都需要高信噪比做支撐，至少比經(jīng)典布局有著更高的信噪比要求，這就要求硬件達(dá)到達(dá)到相當(dāng)水平，這不正是這些大廠擅長(zhǎng)的嗎，你看，博世大陸雷達(dá)為什么好，這也是一個(gè)點(diǎn)。真是環(huán)環(huán)相扣，任重道遠(yuǎn)啊。
這些大廠的布局設(shè)計(jì)真的有很多思考在其中，很值得深挖。我也只是拋磚引玉罷了，這些都是藝術(shù)品了，得多看多想幾遍，有能力的，給出一些數(shù)學(xué)上的支撐，那就更好了。
想必也看到了，這期是單芯片雷達(dá)，主要是3TX4RX，主要針對(duì)的也是傳統(tǒng)的4D雷達(dá)（注意，不是4D成像雷達(dá)），4D成像雷達(dá)的布局將更加復(fù)雜，但萬(wàn)變不離其宗，始終還是圍繞那3條原則來(lái)的，我?guī)缀蹩梢钥隙銈冊(cè)谄诖?D成像雷達(dá)的布局分析，隨機(jī)留到下次吧。
