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。