FMCW毫米波雷达接收天线阵误差补偿方法、系统及装置与流程

fmcw毫米波雷达接收天线阵误差补偿方法、系统及装置
技术领域
1.本技术涉及雷达技术领域，尤其是一种fmcw毫米波雷达接收天线阵误差补偿方法、系统及装置。


背景技术：

2.fmcw毫米波雷达通常情况下采用多个接收天线进行到达角doa的测量，对于以aip/aop天线为代表的高集成度天线结构来说，接收天线阵的互耦效应和一致性偏差严重制约着doa测量的准确性。


技术实现要素：

3.本技术的目的在于至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一。
4.为此，本发明的目的在于提供一种廉价、高效的fmcw毫米波雷达接收天线阵误差补偿方法、系统及装置。
5.为了达到上述技术目的，本技术实施例所采取的技术方案包括：一方面，本技术实施例提供了一种fmcw毫米波雷达接收天线阵误差补偿方法，所述方法用于对aip/aop接收天线阵的互耦效应和一致性误差进行估计和补偿，包括以下步骤：根据预设放置策略，确定标准件的精确坐标；所述预设放置策略用于表征根据接收天线数量、阵列口径和距离分辨率确定标准件的数量和位置；发射天线发射探测波；接收天线接收经标准件反射的回波信号；根据所述回波信号和所述标准件的精确坐标，确定补偿量，以对接收信号进行补偿。通过使用上述方法，能够通过外置标准件的方式实现接收天线阵的互耦效应和一致性误差的补偿，有利于提升补偿精度，有利于降低补偿的估计时间，便于生产线使用。
6.另外，根据本技术上述实施例的误差补偿方法，还可以具有以下附加的技术特征：进一步地，在本技术的一个实施例中，所述补偿量，通过下列公式计算得到：；；；；；
其中，用于表征补偿量；h用于表征接收天线阵的等效接收矩阵，y用于表征接收到的回波信号，x用于表征标准件的位置矩阵，xm为第m个标准件的导向向量；xm为第m个标准件的导向向量；m用于表征标准件的数量，n用于表征接收天线的数量；用于表征第1个标准件的回波在第1个接收天线处激发的信号；用于表征第m个标准件的回波在第1个接收天线处激发的信号；用于表征第m个标准件的回波在第1个接收天线处激发的信号；用于表征从发射天线经第m个标准件反射到第n个接收天线的精确路径长度，用于表征第m个标准件的回波信号在第n个接收天线处激发的信号相位与在第1个接收天线处激发的信号相位之差，用于表征波长。
7.进一步地，在本技术的一个实施例中，所述根据预设放置策略，确定标准件的精确坐标，还包括以下步骤：获取接收天线的数量、阵列口径和距离分辨率；根据所述接收天线的数量，确定标准件的数量；根据阵列口径，确定远场区域，确保所有标准件均处于接收天线的远场区域；根据所述距离分辨率，确定标准件的精确径向距离，使得任意两个标准件的径向距离之差大于所述距离分辨率。
8.进一步地，在本技术的一个实施例中，所述确定标准件的精确坐标，包括：确定标准件的精确坐标，使得位置矩阵x为满秩且良态。
9.进一步地，在本技术的一个实施例中，所述接收天线接收经标准件反射的回波信号，包括：将回波信号通过快速傅里叶变换处理为距离谱，根据距离谱和标准件的位置，确定距离谱中峰值与标准件的对应关系。
10.进一步地，在本技术的一个实施例中，所述根据预设放置策略，确定标准件的精确坐标，包括：确定标准件为rcs相等的标准雷达目标器件，包括角反射器、球反射器、雷达目标模拟器。
11.另一方面，本技术实施例提出了一种fmcw毫米波雷达接收天线阵误差补偿系统，所述系统用于对aip/aop接收天线阵的互耦效应和一致性误差进行估计和补偿，包括：标准件模块，用于根据预设放置策略，确定标准件的精确坐标；所述预设放置策略用于表征根据接收天线数量、阵列口径和距离分辨率确定标准件的数量和位置；发射模块，用于驱动发射天线发射探测波；接收模块，用于驱动接收天线接收经标准件反射的回波信号；计算模块，用于根据所述回波信号和所述标准件的精确坐标，确定补偿量，以对接收信号进行补偿。
12.另一方面，本技术实施例提供了一种fmcw毫米波雷达接收天线阵误差补偿装置，包括：至少一个处理器；至少一个存储器，用于存储至少一个程序；当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行时，使得所述至少一个处理器实
现上述的任一种fmcw毫米波雷达接收天线阵误差补偿方法。
13.另一方面，本技术实施例提供了一种存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于实现上述的任一种fmcw毫米波雷达接收天线阵误差补偿方法。
14.本技术实施例能够通过外置标准件的方式实现对aip/aop接收天线阵的互耦效应和一致性误差的补偿，有利于提升补偿精度，有利于降低补偿的估计时间，便于生产线使用。
附图说明
15.为了更清楚地说明本技术实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本技术实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本技术的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员来说，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
16.图1为本技术提供的误差补偿方法的一种实现逻辑的结构示意图；图2为本技术提供的误差补偿方法的一种实施例的流程示意图；图3为本技术提供的误差补偿系统的一种实施例的结构示意图；图4为本技术提供的误差补偿装置的一种实施例的结构示意图。
具体实施方式
17.下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
18.现有技术中，关于接收天线误差的问题中，天线互耦方面关注较少；或者采用间接方法进行逼近，或者需要长时间积分计算，影响效率。因此，相关技术中，亟需一种适用于生产流水线上的快速测试场景的接收天线误差估计补偿方法。
19.下面参照附图详细描述根据本技术实施例提出的fmcw毫米波雷达接收天线阵误差补偿方法和系统，首先将参照附图描述根据本技术实施例提出的fmcw毫米波雷达接收天线阵误差补偿方法。
20.参照图1和图2所示，本技术实施例中提供一种fmcw毫米波雷达接收天线阵误差补偿方法，本技术实施例中的fmcw毫米波雷达接收天线阵误差补偿方法，可应用于终端中，也可应用于服务器中，还可以是运行于终端或服务器中的软件等。终端可以是平板电脑、笔记本电脑、台式计算机等，但并不局限于此。服务器可以是独立的物理服务器，也可以是多个物理服务器构成的服务器集群或者分布式系统，还可以是提供云服务、云数据库、云计算、云函数、云存储、网络服务、云通信、中间件服务、域名服务、安全服务、cdn、以及大数据和人工智能平台等基础云计算服务的云服务器。本技术实施例中的fmcw毫米波雷达接收天线阵误差补偿方法主要包括以下步骤：所述方法用于对aip/aop接收天线阵的互耦效应和一致性误差进行估计和补偿，
包括以下步骤：s110：根据预设放置策略，确定标准件的精确坐标；所述预设放置策略用于表征根据接收天线数量、阵列口径和距离分辨率确定标准件的数量和位置；s120：发射天线发射探测波；s130：接收天线接收经标准件反射的回波信号；s140：根据所述回波信号和所述标准件的精确坐标，确定补偿量，以对接收信号进行补偿。
21.通过使用上述方法，能够通过外置标准件的方式实现接收天线阵的互耦效应和一致性误差的补偿，有利于提升补偿精度，有利于降低补偿的估计时间，便于生产线使用。
22.可选地，本技术实施例中的误差补偿方法，所述补偿量，通过下列公式计算得到：；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式（1）；
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公式（2）；
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公式（3）；
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公式（4）；
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公式（5）其中，用于表征补偿量；h用于表征接收天线阵的等效接收矩阵，y用于表征接收到的回波信号，x用于表征标准件的位置矩阵，xm为第m个标准件的导向向量；xm为第m个标准件的导向向量；m用于表征标准件的数量，n用于表征接收天线的数量；用于表征第1个标准件的回波在第1个接收天线处激发的信号；用于表征第m个标准件的回波在第1个接收天线处激发的信号；用于表征第m个标准件的回波在第1个接收天线处激发的信号；用于表征从发射天线经第m个标准件反射到第n个接收天线的精确路径长度，用于表征第m个标准件的回波信号在第n个接收天线处激发的信号相位与在第1个接收天线处激发的信号相位之差，用于表征波长。
23.可选地，本技术实施例中的误差补偿方法，所述根据预设放置策略，确定标准件的精确坐标，还包括以下步骤：获取接收天线的数量、阵列口径和距离分辨率；根据所述接收天线的数量，确定标准件的数量；根据阵列口径，确定所有标准件位于所述接收天线的远场区域；根据所述距离分辨率，确定标准件的精确径向距离，使得任意两个标准件的径向距离之差大于所述距离分辨率。
24.可选地，本技术实施例中的误差补偿方法，所述方法还包括以下步骤：通过所述补偿量对接收信号进行补偿；
其中，；；；h用于表征接收天线阵的等效接收矩阵。
25.可选地，本技术实施例中的误差补偿方法，所述确定标准件的精确坐标，包括：确定标准件的精确坐标，使得位置矩阵x为满秩且良态。
26.在一些可能的实施方式中，如果标准件摆放的足够远，需要精确确定的是标准件的俯仰角和方位角。即确定标准件的精确方向，不同标准件之间的方向差异足够大以使得位置矩阵x为满秩且良态。本领域技术人员可以理解的是，该实施例中，对于距离的精度要求可以适当降低。
27.可选地，本技术实施例中的误差补偿方法，所述接收天线接收经标准件反射的回波信号，包括：将回波信号通过快速傅里叶变换处理为距离谱，再根据距离谱和标准件的位置，确定距离谱中峰值与标准件的对应关系。
28.可选地，本技术实施例中的误差补偿方法，所述根据预设放置策略，确定标准件的精确坐标，包括：确定标准件为rcs相等的标准雷达目标器件，包括角反射器、球反射器、雷达目标模拟器。
29.在一些可能的实施方式中，本技术实现逻辑的结构示意图如图1中所示，图中，t用于表示发射天线；第1标准件、第2标准件、第3标准件至第m标准件表示m个标准件；r1至rn表示n个接收天线；同样，第1接收通道至第n接收通道用于表征n个接收通道。其中发射机通过发射天线发送探测波形，探测波形在空中传播遇到被测物体后被反射到接收天线处形成回波信号。理想情况下，接收天线将回波信号接收下来的时候不得产生设计增益和设计相移以外的任意影响。实际电路中，尤其是在集成了aip/aop天线芯片中，接收天线之间相距特别近，相互之间产生的互耦效应和一致性误差进入到回波信号中，影响了雷达系统的解算性能。本技术假定接收天线的互耦效应和一致性误差是仅电路依赖的，这意味可以在出厂测试的时候估计并记录下来接收天线的互耦效应和一致性误差，在出厂后直接使用此估计值进行补偿即可。
30.第1标准件反射的回波信号到达接收天线阵的时候，不同接收天线激发的信号具有不同的相位，经过接收通道处理后进入估计模块，估计模块看到的信号可表示为：
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公式(6)其中，，表示第1标准件的回波信号在第n根接收天线处激发的信号相位与在第1根接收天线处激发的信号相位的差，该变量仅依赖于第1标准件相对于接收天线阵的到达角。，表示第1标准件的回波信号在所有接收天线处激发的信号的幅度(在第1标准件距离接收天线的距离远大于接收天线阵的尺寸时，所有天线接收的信号幅度可以认为是相等的)，表示第1标准件的回波信号在第1接收天线r1
处激发的信号的相位。表示接收天线阵的等效接收矩阵；，表示第n个接收天线到第m个接收天线的耦合系数，即天线互耦效应；表示第n个接收天线的接收复增益，不同接收天线的复增益不一致，即接收天线的一致性误差问题。
31.全部m个标准件的回波信号在估计模块中联合起来得到如下表达式：
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公式(7)其中表示观测矩阵，即观测到的回波信号，表示标准件的位置矩阵。鉴于标准件的相对位置可以通过仪器来精确标定，这意味着和是可以通过测量获得的，因此x是已知矩阵，此时公式(7)的解可通过公式(1) 进行表示，即。其中，将作为补偿量，容易获取，便于生产线使用。
32.将上述等效接收矩阵的估计量写给补偿模块，补偿模块对接收信号执行如下补偿操作：
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公式(8)因此，经过补偿后的接收信号和理想值相差一个常数复增益，此常数复增益作用于所有天线上，因此不会对后续目标检测、解算角度、目标跟踪等雷达常规操作带来影响。
33.在出厂测试中，m个标准件的坐标和接收天线的距离都是经过精确标定的且相互之间差距超过雷达的距离分辨率，这套相对位置关系可以导出标准件的位置矩阵，即公式（4）和公式（5）：
ꢀꢀ
、 。将上述公式（4）和公式（5）带入公式（3）中，可求出x矩阵。上述公式中，表示从发射天线到第m标准件再到第n接收天线的路径长度，且公式(4)假定标准件的雷达散射截面积(rcs)是相等的。
34.发射机发射一次探测波形，接收天线和接收通道将回波信号接收下来并转换为距离谱后送给估计模块，估计模块在距离谱上筛选不同标准件的回波。鉴于不同标准件和收发天线之间的距离需要不小于一倍的距离分辨率，此时同一接收天线接收到的不同标准件的回波信息处于当前接收通道输出的距离谱的不同位置，估计模块可以方便的进行提取并构造测量矩阵y。
35.将得到的x和y带入公式(1)即可得到接收天线的互耦效应和一致性误差估计量，其中标准件的数量和位置选择准则是保证x是满秩的，不仅如此，实际工程中为了保证误差性能，需要精心设定标准件的数量和位置以使得x不仅满秩还要是良态的，即其条件数足够小。
36.估计模块将估计结果送给补偿模块，补偿模块计算并存储起来共后续补偿操作使用，补偿操作由公式(8)定义。
37.下面以一具体示例对本技术的补偿方法进行介绍：对于一个具有两个接收天线，接收天线一和接收天线二，且两个接收天线相距半波长的毫米波雷达来说，在雷达的0方位角和30度方位角的两个方向各摆放一个角反射器，即角反射器一和角反射器二，这两个角反射器距离雷达的距离远远大于两个接收天线之间的距离，则测量可得到4个回波的相位值、、和，共四个测量结果，结合公式（5）的定义以及摆放的方位角可进一步得到如下关系：（5）的定义以及摆放的方位角可进一步得到如下关系：（5）的定义以及摆放的方位角可进一步得到如下关系：进一步假定这两个角反射器距离雷达的距离远大于这两个角反射器距离雷达的距离的差，则根据公式（4）可得结合公式（3）一起带入公式（2）可得且上式求逆的结果为用上式代入公式（1）即可实现接收天线的互耦效应和一致性误差补偿的目的。
38.通过上述描述可以知道，本技术的估计过程只需要发射机发射一次探测波形即可完成，耗时短，便于生产线使用。
39.其次，参照附图描述根据本技术实施例提出的一种fmcw毫米波雷达接收天线阵误差补偿系统。
40.图3是本技术一个实施例的fmcw毫米波雷达接收天线阵误差补偿系统结构示意图，所述系统用于对aip/aop接收天线阵的互耦效应和一致性误差进行估计和补偿，包括：标准件模块310，用于根据预设放置策略，确定标准件的精确坐标；所述预设放置策略用于表征根据接收天线数量、阵列口径和距离分辨率确定标准件的数量和位置；发射模块320，用于驱动发射天线发射探测波；接收模块330，用于驱动接收天线接收经标准件反射的回波信号；计算模块340，用于根据所述回波信号和所述标准件的精确坐标，确定补偿量，以对接收信号进行补偿。
41.可见，上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
42.参照图4，本技术实施例提供了一种fmcw毫米波雷达接收天线阵误差补偿装置，包括：
至少一个处理器410；至少一个存储器420，用于存储至少一个程序；当所述至少一个程序被所述至少一个处理器410执行时，使得所述至少一个处理器410实现所述的fmcw毫米波雷达接收天线阵误差补偿方法。
43.同理，上述方法实施例中的内容均适用于本装置实施例中，本装置实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
44.本技术实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其中存储有处理器410可执行的程序，处理器410可执行的程序在由处理器410执行时用于执行上述的新风系统的控制方法。
45.同理，上述方法实施例中的内容均适用于本存储介质实施例中，本存储介质实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
46.在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本技术的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
47.此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本技术，但应当理解的是，除非另有相反说明，功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本技术是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本技术。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本技术的范围，本技术的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
48.所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干程序用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器（rom，read-only memory）、随机存取存储器（ram，random access memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
49.在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行程序的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供程序执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从程序执行系统、装置或设备取程序并执行程序的系统）使用，或结合这些程序执行系统、装置或设
备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供程序执行系统、装置或设备或结合这些程序执行系统、装置或设备而使用的装置。
50.计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或多个布线的电连接部（电子装置），便携式计算机盘盒（磁装置），随机存取存储器（ram），只读存储器（rom），可擦除可编辑只读存储器（eprom或闪速存储器），光纤装置，以及便携式光盘只读存储器（cdrom）。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
51.应当理解，本技术的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的程序执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（pga），现场可编程门阵列（fpga）等。
52.在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
53.尽管已经示出和描述了本技术的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本技术的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本技术的范围由权利要求及其等同物限定。
54.以上是对本技术的较佳实施进行了具体说明，但本技术并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本技术精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。