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毫米波雷達的發(fā)展趨勢是智能+高分辨

談談我對4D Radar 天線布局的思考，對應上一篇（如何做好一款4D 高分辨毫米波雷達）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計與優(yōu)化，包括天線方向圖，極化方式等等。我們更關注于滿足4D Radar功能及應用需求下的天線布局設計，以下討論是針對自動泊車等應用的短距高分辨4D雷達天線布局設計。而對于中距或者長距雷達及對應的應用在這暫不討論。

對上述標注句子提取關鍵字，分別是自動泊車，高分辨，4D，分別對應天線布局設計的技術要求。具體說來，自動泊車應用要求較大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辨別能力。在這幾點基礎上還要求測角無模糊以及測角魯棒性高（抗干擾能力強）。總結(jié)一下：

FoV（》150度）

Azimuth Resolution（《2度）

Unambiguous Azi & Ele

measurement capability

Robust measurement

High measurement accuracy

上面幾點有些是互相矛盾的，提高某一指標的同時可能要犧牲另一個指標，所以設計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用，DoA算法結(jié)合起來，更要與工藝制造，硬件設計（緊湊設計），生產(chǎn)成本結(jié)合起來，所以沒有一款能夠一招鮮，吃遍天的布局設計，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在以后的公眾號文章中陸續(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面陣，如圖1所示是其中一種設計。

圖1 面陣設計

圖1中上圖是原始物理布局，下圖是MIMO虛擬陣列布局，對照之前所述指標，這樣的布局往往滿足你對4D Radar天線的所有想象，但是卻不適合車載雷達工程應用，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，我們對方位角的重視程度要遠大于俯仰角，所以對于俯仰測角我們希望采用更具性價比的方式。Bosch GmbH發(fā)表的論文給出了如圖2 的參考設計。

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，這種設計往往在俯仰角求解上存在妥協(xié)（如4D FFT點數(shù)變少等）。但圖2 設計用于實際工程也是困難的。特別是天線設計要與商用集成式毫米波雷達芯片收發(fā)天線數(shù)目及位置匹配。并且目前大多數(shù)車載雷達都傾向于采用微帶天線，特別是Series Feed Patch Arrays，這給實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)天線校準帶來高要求。而且類似的芯片級聯(lián)方案目前成本較高。
所以結(jié)合現(xiàn)階段商用集成雷達芯片的“高性價比”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。相當于只用一根天線做俯仰角，俯仰面該天線與其他天線錯開距離滿足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（時間累積/目標分類等）。后續(xù)芯片成本或者天線工藝成本降低可進一步通過芯片級聯(lián)設計改善天線設計，從而提高俯仰測角精度。

圖4 Monopulse布局目前車載雷達俯仰角的測量方式有很多，如圖6所示，ADC GmBH的ARS 300系列采用機械掃描方式進行俯仰角測量（個人感覺這類技術較為過時了），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，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算俯仰角，感興趣的可以參考文獻［4］。但是對于短距離高分辨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)公司重點關注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，我一直在重點關注，其天線布局類似于圖8類型，這種布局相當有意思，以后會詳談，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，實際效果如圖9所示。個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？