一种近场估计的方法及装置与流程

一种近场估计的方法及装置
1.本技术是分案申请，原申请的申请号是202080004958.1，原申请日是2020年1月8日，原申请的全部内容通过引用结合在本技术中。
技术领域
2.本技术涉及无线领域，尤其涉及一种近场估计的方法及装置。


背景技术：

3.毫米波车载雷达因具有全天候的探测能力，在自动驾驶领域是不可或缺的传感器之一。为了获得高角度分辨率，使用多入多出(multiple-input multiple-output，mimo)雷达技术可在天线数有限的情况下获得大的阵列孔径。时分多路复用(time-division multiplexing，tdm)mimo发射模式具有硬件实现简单、互耦效应低等优点，成为车载毫米波mimo雷达的一个重要研究方向。调频连续波(frequency modulated continuous waveform,fmwc)是tdm-mimo一种常用的车载雷达发射波形。
4.车载雷达通过对目标的测距和测角，即到达角(angle of arrival，aoa)估计，完成目标的定位。角度估计时，远场条件下，波前(wavefront)通常可以假设为平面波。但是，在近场条件下，波前应考虑为球面波。例如，对于77ghz频段的mimo雷达，如果水平虚拟天线有256个，虚拟天线的孔径约为0.5m，在雷达与目标之间的距离大于64.2m时，适用于远场条件，小于64.2m时，适用于近场条件，则大约64.2m以内的目标都需要应用近场条件下的aoa估计。
5.快速傅里叶变换(fast fourier transform，fft)算法是现有的车载雷达常用的角度估计算法，但fft只能用于远场估计，无法用于近场估计。现有技术的近场aoa算法中，球面波程差计算复杂，且不适用于任意个数的天线，难以在有限尺寸的暗室中进行天线的近场校准，且难以针对各个天线阵元生成导向矢量(steering vector)，导致aoa估计精度下降。


技术实现要素：

6.本技术提供一种近场估计的方法及装置，在本技术的近场估计的方法中，将多个发射天线的实际物理位置考虑进来，可以将目标到达角更准确估计出来，不会出现角度谱弥散的问题。
7.第一方面，提供了一种到达角估计的方法，应用于多入多出mimo雷达，所述mimo雷达的天线阵列包括m个发射天线和n个接收天线，m为正整数，n为正整数，包括：测量基准接收天线与目标之间的第一距离，所述基准接收天线为所述n个接收天线中的一个；根据所述第一距离确定第j个接收天线与目标之间的第二距离，其中，j为小于或等于n的正整数；根据所述第一距离和所述第二距离确定所述第一虚拟接收天线和第二虚拟接收天线的波程差，其中，所述第一虚拟接收天线由基准发射天线和所述基准接收天线确定，所述基准发射天线为所述m个发射天线中的一个，所述第二虚拟接收天线由第i个发射天线和所述第j个
接收天线确定，i为小于或等于m的正整数；根据所述波程差确定所述第一虚拟接收天线的到达角。
8.根据本技术实施例，可以由m个发射天线和n个接收天线确定mn个虚拟接收天线，根据第一距离和第二距离确定第一虚拟接收天线和第二虚拟接收天线的波程差，将多个发射天线的实际物理位置与虚拟接收天线结合考虑，可以将目标到达角更准确估计出来，不会出现角度谱弥散的问题。
9.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述根据所述波程差确定所述目标的到达角包括：根据所述波程差确定所述第一虚拟接收天线和所述第二虚拟接收天线的相位差；根据所述相位差构造导向矢量；根据所述导向矢量确定所述第一虚拟接收天线的到达角。
10.根据本技术实施例，提供了一种可以根据波程差进行到达角估计的方法，可以根据这种方法获取第一虚拟接收天线的到达角。
11.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述根据所述第一距离和所述第二距离确定所述第一虚拟接收天线和第二虚拟接收天线的波程差，包括：确定所述第一虚拟接收天线的第一波程；确定所述第二虚拟接收天线的第二波程；根据所述第一波程和所述第二波程确定所述第一虚拟接收天线和所述第二虚拟接收天线的波程差；其中，所述确定所述第二虚拟接收天线的第二波程包括：根据所述第一距离确定所述第i个发射天线与所述目标之间的第三距离；根据所述第二距离和所述第三距离确定所述第二虚拟接收天线的第二波程。
12.根据本技术实施例，可以根据第j个接收天线与目标之间的第二距离和第i个发射天线与目标之间的第三距离确定第二虚拟接收天线的第二波程，可以进一步对第一虚拟接收天线的到达角进行估计。
13.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述确定所述第一虚拟接收天线的第一波程，包括：根据所述第一距离确定所述基准发射天线与所述目标之间的第四距离；根据所述第一距离和所述第四距离确定所述第一虚拟接收天线的第一波程。
14.根据本技术实施例，可以根据基准接收天线与目标之间的第一距离和基准发射天线与目标之间的第四距离确定第二虚拟接收天线的波程。
15.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述根据所述第一距离确定第j个接收天线与所述目标之间的第二距离，包括：根据所述第一距离和所述基准接收天线与所述第j个接收天线之间的第五距离确定所述第j个接收天线与所述目标之间的第二距离。
16.根据本技术实施例，可以通过基准接收天线与目标之间的第一距离和基准接收天线和基准接收天线与所述第j个接收天线之间的第五距离并利用几何关系计算得出第j个接收天线与目标之间的第二距离。
17.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述n个接收天线为等间隔排布。
18.根据本技术实施例，当n个接收天线为等间隔排布时，可以根据各个接收天线之间的间隔基准接收天线与第j个接收天线之间的第五距离。
19.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述相位差满足以下公式：
20.21.其中，为所述第一虚拟接收天线和所述第二虚拟接收天线的相位差，λ为所述mimo雷达的天线阵列的工作波长，r1为所述第一距离，rj为所述第二距离，l1为所述第四距离，li为所述第三距离。
22.根据本技术实施例，在对第一虚拟接收天线的到达角进行估计时，将第二虚拟空额三级片天线和第一虚拟天线的实际物理位置考虑进来，可以提升第一虚拟接收天线的到达角的估计精度。
23.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述相位差满足以下公式：
[0024][0025]
其中，为所述第一虚拟接收天线和所述第二虚拟接收天线的相位差，λ为所述mimo雷达的天线阵列的工作波长，r1为所述第一距离的测量值，θ为所述第一虚拟接收天线的到达角，d为所述mimo雷达的天线阵列的半波长，第k个虚拟接收天线为所述第二虚拟接收天线，k为小于或等于m
×
n的正整数。
[0026]
根据本技术实施例，假设确定所有虚拟接收天线的发射天线均为同一发射天线，此时，忽略由于发射天线而引起的波程差地改变，这种计算方法更为简单。
[0027]
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述方法还包括：
[0028]
根据所述相位差进行精确估计，所述相位差满足以下公式：
[0029][0030]
其中，dq(θ)为到达角为θ时第q个虚拟接收天线与第q-1个虚拟接收天线的之间的距离。
[0031]
根据本技术实施例，随着mimo雷达的天线阵孔径增加，在近场的条件下，d由一个常量变为一个变量，将d用θ表示后，可以进行更精准的到达角估计。
[0032]
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述方法还包括：根据所述相位差和校准前的相位差实测值，确定所述mimo雷达的天线阵列校准的相位校准系数。
[0033]
根据本技术实施例，采用本技术实施例的理论波程差/相位差进行计算得到的相位校准系数，更为准确，从而可以得到精度更高的到达角估计结果。
[0034]
第二方面，提供了一种到达角估计的装置，位于多入多出mimo雷达中，所述mimo雷达的天线阵包括m个发射天线和n个接收天线，m为正整数，n为正整数，包括：测量单元，用于测量所述基准接收天线与目标之间的第一距离，所述基准接收天线为所述n个接收天线中的一个；计算单元，用于根据所述第一距离确定第j个接收天线与目标之间的第二距离，其中，j为小于或等于n的正整数；所述计算单元还用于所述第一距离和所述第二距离确定所述第一虚拟接收天线和第二虚拟接收天线的波程差，所述基准发射天线为所述m个发射天线中的一个，其中，所述第一虚拟接收天线由基准发射天线和所述基准接收天线确定，所述第二虚拟接收天线由第i个发射天线和所述第j个接收天线确定，i为小于或等于m的正整数；所述计算单元还用于根据所述波程差确定所述第一虚拟接收天线的到达角。
[0035]
结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述计算单元还用于根据所述波程差确定所述第一虚拟接收天线的到达角包括：根据所述波程差确定所述第一虚拟接收天线和所述第二虚拟接收天线的相位差；根据所述相位差构造导向矢量；根据所述导向矢量
确定所述第一虚拟接收天线的到达角。
[0036]
结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述计算单元还用于根据所述第一距离和所述第二距离确定所述第一虚拟接收天线和第二虚拟接收天线的波程差包括：确定所述第一虚拟接收天线的第一波程；确定所述第二虚拟接收天线的第二波程；根据所述第一波程和所述第二波程确定所述第一虚拟接收天线和所述第二虚拟接收天线的波程差；其中，所述确定所述第二虚拟接收天线的第二波程，包括：根据所述第一距离确定所述第i个发射天线与所述目标之间的第三距离；根据所述第二距离和所述第三距离确定所述第二虚拟接收天线的第二波程。
[0037]
结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述确定所述第一虚拟接收天线的第一波程，包括：根据所述第一距离确定所述基准发射天线与所述目标之间的第四距离；根据所述第一距离和所述第四距离确定所述第一虚拟接收天线的第一波程。
[0038]
结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述计算单元，用于根据所述第一距离确定第j个接收天线与所述目标之间的第二距离，包括：根据所述第一距离和所述基准接收天线与所述第j个接收天线之间的第五距离确定所述第j个接收天线与所述目标之间的第二距离。
[0039]
结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述n个接收天线为等间隔排布。
[0040]
结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述相位差满足以下公式：
[0041][0042]
其中，为所述第一虚拟接收天线和所述第二虚拟接收天线的相位差，λ为所述mimo雷达的天线阵列的工作波长，r1为所述第一距离，rj为所述第二距离，l1为所述第四距离，li为所述第三距离。
[0043]
结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述相位差满足以下公式：
[0044][0045]
其中，为所述第一虚拟接收天线和所述第二虚拟接收天线的相位差，λ为所述mimo雷达的天线阵列的工作波长，r1为所述第一距离的测量值，θ为所述第一虚拟接收天线的到达角，d为所述mimo雷达天线阵的半波长，第k个虚拟接收天线为所述第二虚拟接收天线，k为小于或等于mn的正整数。
[0046]
结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述计算单元还用于根据所述相位差进行精确估计，所述相位差满足以下公式：
[0047][0048]
其中，dq(θ)为到达角为θ时第q个虚拟接收天线与第q-1个虚拟接收天线之间的距离。
[0049]
结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述计算单元还用于根据所述相位差和校准前的相位差实测值，确定所述mimo雷达的天线阵列校准的相位校准系数。
[0050]
第三方面，提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在被所述计算机调用时用于使所述计算机执行上述第一
方面中所述的任一项方法。
[0051]
第四方面，提供了一种雷达，包括：m个发射天线，所述m个发射天线用于发射信号，m为正整数；n个接收天线，所述n个接收天线用于接收信号，n为正整数；以及处理单元，所述处理单元用于执行上述第一方面中所述的任一项方法。
[0052]
第五方面，提供了一种计算设备，包括：存储器，用于存储计算机程序，处理器，用于从所述存储器调用计算机程序，当所述计算机程序被执行时，使得所述计算设备执行上述第一方面中所述的任一项方法。
[0053]
第六方面，提供了一种车载系统，其特征在于，包括：m个发射天线，所述m个发射天线用于发射信号，m为正整数；n个接收天线，所述n个接收天线用于接收信号，n为正整数；以及，如上述第二方面中所述的任一项装置。
附图说明
[0054]
图1是本技术实施例提供的一种自动驾驶汽车的结构示意图。
[0055]
图2是适用于本技术实施例的场景示意图。
[0056]
图3是本技术实施例适用的一种mimo雷达的天线阵的示意图。
[0057]
图4是本技术实施例提供的一种到达角估计的方法的示意图。
[0058]
图5是本技术实施例提供的一种根据波程差估计到达角的方法的示意图。
[0059]
图6是本技术实施例提供的到达角估计的结果示意图。
[0060]
图7是本技术实施例提供的一种虚拟接收天线的示意图。
[0061]
图8是本技术实施例提供的到达角估计的装置的示意图。
具体实施方式
[0062]
图1是本技术实施例提供的车辆100的功能框图。在一个实施例中，将车辆100配置为完全或部分地自动驾驶模式。例如，车辆100可以在处于自动驾驶模式中的同时控制自身，并且可通过人为操作来确定车辆及其周边环境的当前状态，确定周边环境中的至少一个其他车辆的可能行为，并确定该其他车辆执行可能行为的可能性相对应的置信水平，基于所确定的信息来控制车辆100。在车辆100处于自动驾驶模式中时，可以将车辆100置为在没有和人交互的情况下操作。
[0063]
车辆100可包括各种子系统，例如行进系统102、传感器系统104、控制系统106、一个或多个外围设备108以及电源110、计算机系统112和用户接口116。可选地，车辆100可包括更多或更少的子系统，并且每个子系统可包括多个元件。另外，车辆100的每个子系统和元件可以通过有线或者无线互连。
[0064]
行进系统102可包括为车辆100提供动力运动的组件。在一个实施例中，推进系统102可包括引擎118、能量源119、传动装置120和车轮/轮胎121。引擎118可以是内燃引擎、电动机、空气压缩引擎或其他类型的引擎组合，例如气油发动机和电动机组成的混动引擎，内燃引擎和空气压缩引擎组成的混动引擎。引擎118将能量源119转换成机械能量。
[0065]
能量源119的示例包括汽油、柴油、其他基于石油的燃料、丙烷、其他基于压缩气体的燃料、乙醇、太阳能电池板、电池和其他电力来源。能量源119也可以为车辆100的其他系统提供能量。
[0066]
传动装置120可以将来自引擎118的机械动力传送到车轮121。传动装置120可包括变速箱、差速器和驱动轴。在一个实施例中，传动装置120还可以包括其他器件，比如离合器。其中，驱动轴可包括可耦合到一个或多个车轮121的一个或多个轴。
[0067]
传感器系统104可包括感测关于车辆100周边的环境的信息的若干个传感器。例如，传感器系统104可包括定位系统122(定位系统可以是gps系统，也可以是北斗系统或者其他定位系统)、惯性测量单元(inertial measurement unit，imu)124、雷达126、激光测距仪128以及相机130。传感器系统104还可包括被监视车辆100的内部系统的传感器(例如，车内空气质量监测器、燃油量表、机油温度表等)。来自这些传感器中的一个或多个的传感器数据可用于检测对象及其相应特性(位置、形状、方向、速度等)。这种检测和识别是自主车辆100的安全操作的关键功能。
[0068]
定位系统122可用于估计车辆100的地理位置。imu 124用于基于惯性加速度来感测车辆100的位置和朝向变化。在一个实施例中，imu 124可以是加速度计和陀螺仪的组合。
[0069]
雷达126可利用电磁波信号来感测车辆100的周边环境内的物体。在一些实施例中，除了感测物体以外，雷达126还可用于感测物体的速度和/或前进方向。
[0070]
激光测距仪128可利用激光来感测车辆100所位于的环境中的物体。在一些实施例中，激光测距仪128可包括一个或多个激光源、激光扫描器以及一个或多个检测器，以及其他系统组件。
[0071]
相机130可用于捕捉车辆100的周边环境的多个图像。相机130可以是静态相机或视频相机。
[0072]
控制系统106为控制车辆100及其组件的操作。控制系统106可包括各种元件，其中包括转向系统132、油门134、制动单元136、传感器融合算法138、计算机视觉系统140、路线控制系统142以及障碍物避免系统144。
[0073]
转向系统132可操作来调整车辆100的前进方向。例如在一个实施例中可以为方向盘系统。
[0074]
油门134用于控制引擎118的操作速度并进而控制车辆100的速度。
[0075]
制动单元136用于控制车辆100减速。制动单元136可使用摩擦力来减慢车轮121。在其他实施例中，制动单元136可将车轮121的动能转换为电流。制动单元136也可采取其他形式来减慢车轮121转速从而控制车辆100的速度。
[0076]
计算机视觉系统140可以操作来处理和分析由相机130捕捉的图像以便识别车辆100周边环境中的物体和/或特征。所述物体和/或特征可包括交通信号、道路边界和障碍物。计算机视觉系统140可使用物体识别算法、运动中恢复结构(structure from motion，sfm)算法、视频跟踪和其他计算机视觉技术。在一些实施例中，计算机视觉系统140可以用于为环境绘制地图、跟踪物体、估计物体的速度等等。
[0077]
路线控制系统142用于确定车辆100的行驶路线。在一些实施例中，路线控制系统142可结合来自传感器138、gps 122和一个或多个预定地图的数据以为车辆100确定行驶路线。
[0078]
障碍物避免系统144用于识别、评估和避免或者以其他方式越过车辆100的环境中的潜在障碍物。
[0079]
当然，在一个实例中，控制系统106可以增加或替换地包括除了所示出和描述的那
些以外的组件。或者也可以减少一部分上述示出的组件。
[0080]
车辆100通过外围设备108与外部传感器、其他车辆、其他计算机系统或用户之间进行交互。外围设备108可包括无线通信系统146、车载电脑148、麦克风150和/或扬声器152。
[0081]
在一些实施例中，外围设备108提供车辆100的用户与用户接口116交互的手段。例如，车载电脑148可向车辆100的用户提供信息。用户接口116还可操作车载电脑148来接收用户的输入。车载电脑148可以通过触摸屏进行操作。在其他情况中，外围设备108可提供用于车辆100与位于车内的其它设备通信的手段。例如，麦克风150可从车辆100的用户接收音频(例如，语音命令或其他音频输入)。类似地，扬声器152可向车辆100的用户输出音频。
[0082]
无线通信系统146可以直接地或者经由通信网络来与一个或多个设备无线通信。例如，无线通信系统146可使用3g蜂窝通信，例如cdma、evd0、gsm/gprs，或者4g蜂窝通信，例如lte。或者5g蜂窝通信。无线通信系统146可利用wifi与无线局域网(wireless local area network，wlan)通信。在一些实施例中，无线通信系统146可利用红外链路、蓝牙或zigbee与设备直接通信。其他无线协议，例如各种车辆通信系统，例如，无线通信系统146可包括一个或多个专用短程通信(dedicated short range communications，dsrc)设备，这些设备可包括车辆和/或路边台站之间的公共和/或私有数据通信。
[0083]
电源110可向车辆100的各种组件提供电力。在一个实施例中，电源110可以为可再充电锂离子或铅酸电池。这种电池的一个或多个电池组可被配置为电源为车辆100的各种组件提供电力。在一些实施例中，电源110和能量源119可一起实现，例如一些全电动车中那样。
[0084]
车辆100的部分或所有功能受计算机系统112控制。计算机系统112可包括至少一个处理器113，处理器113执行存储在例如存储器114这样的非暂态计算机可读介质中的指令115。计算机系统112还可以是采用分布式方式控制车辆100的个体组件或子系统的多个计算设备。
[0085]
处理器113可以是任何常规的处理器，诸如商业可获得的cpu。替选地，该处理器可以是诸如asic或其它基于硬件的处理器的专用设备。尽管图1功能性地图示了处理器、存储器、和在相同块中的计算机110的其它元件，但是本领域的普通技术人员应该理解该处理器、计算机、或存储器实际上可以包括可以或者可以不存储在相同的物理外壳内的多个处理器、计算机、或存储器。例如，存储器可以是硬盘驱动器或位于不同于计算机110的外壳内的其它存储介质。因此，对处理器或计算机的引用将被理解为包括对可以或者可以不并行操作的处理器或计算机或存储器的集合的引用。不同于使用单一的处理器来执行此处所描述的步骤，诸如转向组件和减速组件的一些组件每个都可以具有其自己的处理器，所述处理器只执行与特定于组件的功能相关的计算。
[0086]
在此处所描述的各个方面中，处理器可以位于远离该车辆并且与该车辆进行无线通信。在其它方面中，此处所描述的过程中的一些在布置于车辆内的处理器上执行而其它则由远程处理器执行，包括采取执行单一操纵的必要步骤。
[0087]
在一些实施例中，存储器114可包含指令115(例如，程序逻辑)，指令115可被处理器113执行来执行车辆100的各种功能，包括以上描述的那些功能。存储器114也可包含额外的指令，包括向推进系统102、传感器系统104、控制系统106和外围设备108中的一个或多个
发送数据、从其接收数据、与其交互和/或对其进行控制的指令。
[0088]
除了指令115以外，存储器114还可存储数据，例如道路地图、路线信息，车辆的位置、方向、速度以及其它这样的车辆数据，以及其他信息。这种信息可在车辆100在自主、半自主和/或手动模式中操作期间被车辆100和计算机系统112使用。
[0089]
入口：可以插入和实际发明相关的描述：比如如果是实际发明点再调整速度，那么这里就描述一下如何速度调整，如果是车道控制，那么这里就描述一下如何车道控制，需要哪些数据，根据这些数据怎么进行车道控制之类。
[0090]
用户接口116，用于向车辆100的用户提供信息或从其接收信息。可选地，用户接口116可包括在外围设备108的集合内的一个或多个输入/输出设备，例如无线通信系统146、车车在电脑148、麦克风150和扬声器152。
[0091]
计算机系统112可基于从各种子系统(例如，行进系统102、传感器系统104和控制系统106)以及从用户接口116接收的输入来控制车辆100的功能。例如，计算机系统112可利用来自控制系统106的输入以便控制转向单元132来避免由传感器系统104和障碍物避免系统144检测到的障碍物。在一些实施例中，计算机系统112可操作来对车辆100及其子系统的许多方面提供控制。
[0092]
可选地，上述这些组件中的一个或多个可与车辆100分开安装或关联。例如，存储器114可以部分或完全地与车辆100分开存在。上述组件可以按有线和/或无线方式来通信地耦合在一起。
[0093]
可选地，上述组件只是一个示例，实际应用中，上述各个模块中的组件有可能根据实际需要增添或者删除，图1不应理解为对本技术实施例的限制。
[0094]
在道路行进的自动驾驶汽车，如上面的车辆100，可以识别其周围环境内的物体以确定对当前速度的调整。所述物体可以是其它车辆、交通控制设备、或者其它类型的物体。在一些示例中，可以独立地考虑每个识别的物体，并且基于物体的各自的特性，诸如它的当前速度、加速度、与车辆的间距等，可以用来确定自动驾驶汽车所要调整的速度。
[0095]
可选地，自动驾驶汽车车辆100或者与自动驾驶车辆100相关联的计算设备(如图1的计算机系统112、计算机视觉系统140、存储器114)可以基于所识别的物体的特性和周围环境的状态(例如，交通、雨、道路上的冰、等等)来预测所述识别的物体的行为。可选地，每一个所识别的物体都依赖于彼此的行为，因此还可以将所识别的所有物体全部一起考虑来预测单个识别的物体的行为。车辆100能够基于预测的所述识别的物体的行为来调整它的速度。换句话说，自动驾驶汽车能够基于所预测的物体的行为来确定车辆将需要调整到(例如，加速、减速、或者停止)什么稳定状态。在这个过程中，也可以考虑其它因素来确定车辆100的速度，诸如，车辆100在行驶的道路中的横向位置、道路的曲率、静态和动态物体的接近度等等。
[0096]
除了提供调整自动驾驶汽车的速度的指令之外，计算设备还可以提供修改车辆100的转向角的指令，以使得自动驾驶汽车遵循给定的轨迹和/或维持与自动驾驶汽车附近的物体(例如，道路上的相邻车道中的轿车)的安全横向和纵向距离。
[0097]
上述车辆100可以为轿车、卡车、摩托车、公共汽车、船、飞机、直升飞机、割草机、娱乐车、游乐场车辆、施工设备、电车、高尔夫球车、火车、和手推车等，本技术实施例不做特别的限定。
[0098]
图2是适用于本技术实施例的场景示意图。
[0099]
应理解，在远场虚拟mimo雷达中，根据接收电磁波的波前为平面波的假设，其中，波前是指雷达向外的辐射电磁波在介质中传播时，某时刻刚刚开始位移的质点所构成的面。
[0100]
如图2所示，可以将发射(transmit，tx)天线之间的间隔等效转换到虚拟接收(receive，rx)天线中，从而形成1个tx、多个虚拟rx的虚拟单入多出(single-input multiple-output，simo)雷达。但在近场aoa估计中，tx天线之间的间隔无法直接转换到虚拟rx天线中，应分别计算各发射天线与目标之间的距离、各接收天线与目标之间的距离，再计算各发射天线与各接收天线之间的距离。其中，虚拟接收天线是指由mimo雷达的天线阵列中多个发射天线中的每个发射天线发射信号时对应的接收信号的接收天线。
[0101]
本技术提供了一种到达角估计的方法，与传统方法不同，在本技术的近场估计的方法中，将多个发射天线的实际物理位置考虑进来。应理解，本技术的技术方案可以针对均匀间隔dt的发射天线，以及均匀间隔dr的接收天线，也可以针对不均分布的发射天线及接收天线，分别计算各发射天线和接收天线组成的虚拟接收天线和第一虚拟接收天线之间的波程差，从而对aoa进行估计。
[0102]
图3是本技术实施例适用的一种mimo雷达的天线阵列的示意图，可以是图1中所示的雷达126，本技术以均匀分布的tx天线和rx天线为例，但也可以适用于不均匀分布的tx天线和rx天线，本技术并不做限制。
[0103]
假设mimo雷达的天线阵列具有n个接收天线(n为正整数，相邻接收天线均匀间隔为dr),以及m个发射天线(m为正整数,m大于1时均匀间隔为d
t
)，可以合成出m
×
n个虚拟接收天线。第i个发射天线与目标(target)之间的距离为li，其中i＝1,2,...,m，第j个接收天线与目标之间的距离为rj，其中j＝1,2,...,n。
[0104]
假设接收天线的个数n为10，发射天线的个数m为3。如图3所示，表示了3个发射天线和10个接收天线的信号传播示意图。图中假设了第1个发射天线和第1个接收天线具有相同的水平位置，但在实际中也可不同，本技术不做限定。
[0105]
图4是本技术实施例提供的一种到达角估计的方法的示意图。
[0106]
110，测量基准接收天线与目标之间的距离。
[0107]
应理解，如图3所示，由3个发射天线和10个接收天线确定30个虚拟接收天线，第一虚拟接收天线为30个虚拟接收天线中的一个，第一虚拟接收天线由基准发射天线和基准接收天线确定。其中，基准发射天线和基准接收天线可任意选取。为了信号处理的方便，可以选取天线阵列最左侧或最右侧的天线作为基准发射天线和基准接收天线。
[0108]
可选地，可以在暗室中测量基准接收天线与目标之间的第一距离r1。
[0109]
可选地，基准发射天线与目标之间的第四距离l1可以通过第1个发射天线和第1个接收天线的物理几何关系获得，其中，第1个发射天线可以为m个发射天线中从左到右的第1个发射天线。在mimo雷达的天线阵列一般认为第1个发射天线和第1个接收天线的水平距离间隔很小，因此有l1≈r1＝r1，其中r1为测量所获得的基准接收天线与目标之间的距离值，即为具体的数值。
[0110]
120，根据基准接收天线与目标之间的第一距离r1确定第j个接收天线与目标之间的第二距离rj。
[0111]
可选地，可以根据基准接收天线与目标之间的第一距离r1和基准接收天线与第二虚拟接收天线对应的第j个接收天线之间的第五距离确定第j个接收天线与目标之间的第二距离rj。
[0112]
可选地，当各个接收天线之间等间隔排布时，可以根据基准接收天线与目标之间的第一距离r1和已知的各个接收天线之间的间隔dr，从而获取第j个接收天线与目标之间的第二距离rj。应理解，当接收天线不均匀排布时，可以根据第j个接收天线与基准接收天线之间的水平距离，即第五距离确定第j个接收天线与目标之间的第二距离rj。
[0113]
可选地，可以根据基准发射天线与目标之间的第四距离l1和基准发射天线与第二虚拟接收天线对应的第i个发射天线之间的第六距离确定第i个发射天线与目标之间的第三距离li。
[0114]
可选地，当各个发射天线之间等间隔排布时，可以根据基准发射天线与目标之间的第四距离l1和已知的发射天线之间的间隔d
t
，从而获取第i个发射天线与目标之间的第三距离li。应理解，当发射天线不均匀排布时，可以根据第i个发个天线与基准发射天线之间的水平距离，即第六距离确定第i个发射天线与目标之间的第三距离li。如图3所示，x、y可以通过几何关系表示为：
[0115]
x＝r1cosθ；
[0116]
y＝r1sinθ；
[0117]
第j个接收天线与目标之间的第二距离rj、第i个发射天线与目标之间的第三距离li分别表示为：
[0118][0119][0120]
其中，θ为第一虚拟接收天线的到达角，是待估计的未知量。
[0121]
130，根据第一虚拟接收天线和第二虚拟接收天线的波程确定第一虚拟接收天线与第二虚拟接收天线的波程差。
[0122]
其中，第一虚拟接收天线由基准发射天线和基准接收天线确定，第二虚拟接收天线由第i个发射天线和第j个接收天线确定，可以根据基准接收天线与目标之间的第一距离r1和第j个接收天线与目标之间的第二距离rj确定第一虚拟接收天线与第二虚拟接收天线的波程差。
[0123]
应理解，对于由基准发射天线和基准接收天线确定的第一虚拟接收天线，其对应的第一波程为基准发射天线发出的电磁波，经目标反射后到达基准接收天线所经过的距离。对于由第i个发射天线和第j个接收天线确定的第二虚拟接收天线，其对应的第二波程为第i个发射天线发出的电磁波，经目标反射后到达第j个接收天线所经过的距离。
[0124]
可选地，第一波程可以由基准接收天线与目标之间的第一距离r1和基准发射天线与目标之间的第四距离l1确定。第二波程可以由第j个接收天线与目标之间的第二距离rj和第i个发射天线与目标之间的第三距离li确定。
[0125]
根据第i个发射天线和第j个接收天线与目标之间的距离，即(li+rj)，从而可以计算第二虚拟接收天线的第二波程相对于第一虚拟接收天线的第一波程的波程差，即(li+rj)-(l1+r1)。
[0126]
例如，在图3中，第2个发射天线和第5个接收天线形成的第二虚拟接收天线的第二波程为l2+r5，其中，第2个发射天线与目标之间的第三距离l2可以等于r2，第5个接收天线与目标之间的第二距离r5可以等于r3，r2为计算获得的第2个发射天线与目标之间的距离值，r3为计算获得的第3个接收天线与目标之间的距离值，相对于基准发射天线和基准接收天线构成的第一虚拟接收天线的波程差为r2+r
3-2
×
r1，即：
[0127][0128]
140，根据第一虚拟接收天线与第二虚拟接收天线的波程差确定到达角。
[0129]
可以根据第i个发射天线和第j个接收天线确定的第二虚拟接收天线与第一虚拟接收天线之间的波程差确定第一虚拟接收天线的到达角。
[0130]
应理解，当l1＝r1＝r1时，可以认为第1个发射天线和第1个接收天线位置相近，即基准发射天线和基准接收天线相近，则第一虚拟接收天线为第1个接收天线。
[0131]
可选地，当到达角定义为接收天线阵列中心点(法线)与目标之间的夹角时，则到达角可以由图3中的θ按已知的几何关系进行转换得到。如图3所示，已求出第一虚拟接收天线的到达角θ，并且测量获得的基准接收天线与目标之间的距离值r1，已知阵列中心点o与第1个接收天线之间的距离为d/2，其中d为mimo雷达的天线阵列的长度，根据余弦定理求出目标与接收天线阵列所呈角度θ1，最终得出接收天线阵列中心点的到达角
[0132]
图5是本技术实施例提供的一种根据波程差估计到达角的方法的示意图。
[0133]
210，根据第一虚拟接收天线与第二虚拟接收天线的波程差确定第一虚拟接收天线与第二虚拟接收天线的相位差。
[0134]
对应于第i个发射天线发射由第j个接收天线接收的信号，即第二虚拟接收天线接收的信号，相比对应于基准接收天线发射和基准接收天线接收的信号，即第一虚拟接收天线接收的信号，其相位差可以表示为：
[0135][0136]
其中，为第一虚拟接收天线和第二虚拟接收天线的相位差，λ为所述毫米波雷达的工作波长，r1为基准接收天线与目标之间的第一距离，l1为基准发射天线与目标之间的第四距离，rj为第j个接收天线与目标之间的第二距离，li为第i个发射天线与目标之间的第三距离。
[0137]
220，根据第一虚拟接收天线与第二虚拟接收天线的相位差构造导向矢量。
[0138]
根据相位差构造导向矢量a(θ)，其中，导向矢量的元素单元为构造导向矢量a(θ)，其中，导向矢量的元素单元为
[0139]
即，导向矢量可以表示为：
[0140]
[0141]
230，根据导向矢量确定到达角。
[0142]
其中，可以根据导向矢量a(θ)，估计得到第一虚拟接收天线的到达角θ。
[0143]
可选地，可以通过导向矢量的数字波束赋形(digital beamforming，dbf)、最小方差无失真响应(minimum variance distortionless response，mvdr)或多信号分类(music)等算法。例如，对于应用dbf算法对到达角进行估计，其角度谱可以表示为：
[0144]
s＝a(θ)hx*xha(θ)；
[0145]
其中x表示输入到dbf算法的接收信号矢量，a(θ)表示步骤220中构造的导向矢量，h表示共轭转置。将构造的a(θ)代入上式，通过对角度的搜索，即到达角的角度值的枚举，当角度谱中的取值为最大值或局部最大值时，可以确定估计得到目标到达角。
[0146]
图6是本技术实施例提供的到达角估计的结果示意图。
[0147]
如图6所示，雷达中所形成的虚拟接收天线可以为包括256个虚拟接收天线阵元的大阵列，采用近场估计后，仍可以准确地将近场第一虚拟接收天线的到达角准确估计出来。如图6所示，虚拟接收天线阵列包含256个虚拟阵元，使用dbf角度估计算法、信噪比(signal noise tatio，snr)为15db时，采用本技术实施例所提供的技术方案，在到达角取值为45
°
时，其振幅为7.098e-16
，为角度谱中振幅的最大值，即45
°
的到达角被准确估计出来，不会出现角度谱弥散的问题。
[0148]
本技术还提供了一种更简洁的到达角估计的方法，即不再计算发射天线与目标之间的距离，而是将虚拟接收天线阵列的间隔作为变量(不再作为常量)进行到达角估计。
[0149]
图7是本技术实施例提供的一种虚拟接收天线的示意图。
[0150]
如图7所示，为m个发射天线和n个接收天线确定的m
×
n个虚拟接收天线，其中θ为到达角，可以是第1个接收天线与目标之间的夹角，选择第1个接收天线作为基准接收天线，此时，第1个接收天线可以是接收天线阵列中从右到左的第1个接收天线。
[0151]
与图4中所示方法类似，可以用如下方法替代步骤140：
[0152]
基准接收天线(第一虚拟接收天线)与目标之间的第一距离r1，其中，r1＝r1，r1为测量所获得的基准接收天线与目标之间的距离值，即为具体数值。假设确定所有虚拟接收天线的发射天线均为同一发射天线，此时，由于形成所有虚拟接收天线的发射天线与目标之间的距离均相等，第二虚拟接收天线与第一虚拟接收天线之间的波程差不会因为确定虚拟接收天线的发射天线的位置不同而改变，即可以根据基准接收天线与目标之间的第一距离r1确定第一虚拟接收天线与第二虚拟接收天线之间的波程差。此时，第二虚拟接收天线为第k个虚拟接收天线，则与第一虚拟接收天线的波程差为：
[0153][0154]
其中，rk为第二虚拟接收天线与目标之间的距离，假设此时虚拟接收天线为等间隔排布，d为虚拟接收天线阵列中相邻阵元之间的间隔。
[0155]
在远场情况下，虚拟接收天线阵列中相邻阵元之间的间隔d为与工作波长相关的常数，可以是雷达工作的中心频率对应的波长的二分之一；在近场情况下，虚拟接收天线阵列中相邻阵元之间的间隔d为与第一虚拟接收天线的到达角相关的变量。
[0156]
可选地，可以将本实施所示的波程差带入图5所示的到达角估计的方法中，其相位差为：
[0157][0158]
其中，λ为毫米波雷达的工作波长，r1为为基准接收天线与目标之间的距离值，θ为第一虚拟接收天线的到达角，d为毫米波雷达的半波长，第k个虚拟接收天线为第二虚拟接收天线，k为小于或等于m
×
n的正整数。
[0159]
按照上式构造的导向矢量在天线阵列较小的情况下，可以在近场到达角估计中取得较好的估计性能。
[0160]
随着mimo雷达的天线阵列孔径增加，在近场的条件下，对于公式：
[0161][0162]
其中，虚拟接收天线阵列中相邻阵元之间的间隔d不再是半波长，而是一个变量，可以用代替上式中的(k-1)d，则相位差可以表示为：
[0163][0164]
其中，dq(θ)表示第一虚拟接收天线的到达角为θ时的第q个虚拟接收天线与第q-1个虚拟接收天线之间的距离。
[0165]
由上式可知，dq(θ)与目标所处的位置有关，即基准接收天线与目标之间的第一距离有关系。
[0166]
因此，通过如图4所示的方法的仿真和/或实测，可以建立dq(θ)、θ、r1,之间的关系，即预先建立{dq(θ)，θ，r1}的对应关系表格，可以通过此方法对到达角进行精确估计。
[0167]
例如，dq(θ)、θ、r1的关系可以如表1所示，在采用dbf角度估计算法估计到达角时，可以在对到达角的角度值进行枚举时，将如表1中的对应数值带入，进而求得角度谱中的最大值或局部最大值，实现对到达角进行精确估计。
[0168]
表1
[0169][0170]
其中x1至x
12
表示在θ和r1取值确定时，第1,2,3个虚拟接收天线相比第0，1，2个虚拟接收天线的间距。
[0171]
可选地，表1中的相关数据可以存储在如图1中所示的存储器114中。
[0172]
假设虚拟接收天线的孔径为d，工作频段的波长为λ。由于近场常用的判断公式为：d2/λ＝64.1m(假设d＝0.5，λ＝0.0039m)，因此一般的微波暗室内都适用于近场条件。
[0173]
对于本技术实施例中的波程差/导向矢量的构造方法，也同样可以应用于天线阵
列校准。根据上述相位差和校准前的相位差实测值，确定mimo雷达的天线阵列校准的相位校准系数。第k个接收天线的相位校准系数满足以下公式：
[0174][0175]
其中，为理论值，即上述实施例中的相位差或或为校准前的相位差实测值。
[0176]
应理解，采用本技术实施例的理论波程差/相位差进行计算得到的相位校准系数，更为准确，从而可以得到精度更高的到达角估计结果。
[0177]
本技术实施例中获得的近场校准参数也可以扩展为远场校准参数。对于同一个雷达，可根据近场校准的结果推算远场校准结果。
[0178]
可选地，在上述的近场到达角校准方法下，可以直接用于远场校准。理由如下：是近场校准中的观测相位，其中，是近场条件下，未加天线扰动的第k个天线真实天线相位，xk表示第k个天线及其射频通道的相位扰动；是远场校准中的观测相位，其中，是远场条件下，未加天线扰动的第k个天线真实天线相位，yk表示第k个天线及其射频通道的相位扰动，则有以下公式：
[0179][0180][0181]
经过近场中的雷达校准后，在部分场景中，从而有xk＝yk。
[0182]
图8是本技术实施例提供的到达角估计的装置的示意图，该装置可以位于mimo雷达中，用于测量到目标的到达角。
[0183]
如图8所示，达角估计的装置可以包括：测量单元310和计算单元320。
[0184]
其中，测量单元310可以用于测量基准接收天线与目标之间的第一距离，基准接收天线为n个接收天线中的一个。计算单元320可以用于根据第一距离确定第j个接收天线与目标之间的第二距离，其中，j为小于或等于n的正整数。计算单元320还可以用于根据第一距离和第二距离确定第一虚拟接收天线和第二虚拟接收天线的波程差，基准发射天线为m个发射天线中的一个。第一虚拟接收天线由基准发射天线和基准接收天线确定，第二虚拟接收天线由第i个发射天线和第j个接收天线确定，i为小于或等于m的正整数。计算单元320还可以用于根据波程差确定第一虚拟接收天线的到达角。
[0185]
可选地，计算单元320还可以用于根据第一距离和第二距离确定第一虚拟接收天线和第二虚拟接收天线的波程差，包括：确定第一虚拟接收天线的第一波程；确定第二虚拟接收天线的第二波程；根据第一波程和第二波程确定第一虚拟接收天线和第二虚拟接收天线的波程差。其中，确定第二虚拟接收天线的第二波程可以包括：根据第一距离确定第i个发射天线与目标之间的第三距离；根据第二距离和第三距离确定第二虚拟接收天线的第二波程。
[0186]
可选地，确定第一虚拟接收天线的第一波程，包括：根据第一距离确定基准发射天线与目标之间的第四距离；根据第一距离和第四距离确定第一虚拟接收天线的第一波程。
[0187]
可选地，计算单元320可以用于根据第一距离确定第j个接收天线与目标之间的第二距离，包括：根据第一距离和基准接收天线与第j个接收天线之间的第五距离确定第j个
接收天线与目标之间的第二距离。
[0188]
可选地，n个接收天线为等间隔排布。
[0189]
可选地，计算单元320还可以用于根据波程差确定第一虚拟接收天线的到达角，包括：根据波程差确定第一虚拟接收天线和第二虚拟接收天线的相位差；根据相位差构造导向矢量；根据导向矢量确定第一虚拟接收天线的到达角。
[0190]
可选地，相位差满足以下公式：
[0191][0192]
其中，为第一虚拟接收天线和第二虚拟接收天线的相位差，λ为mimo雷达的天线阵列的工作波长，r1为第一距离，rj为第二距离，l1为第四距离，li为第三距离。
[0193]
可选地，相位差满足以下公式：
[0194][0195]
其中，为第一虚拟接收天线和第二虚拟接收天线的相位差，λ为mimo雷达的天线阵列的工作波长，r1为第一距离的测量值，θ为第一虚拟接收天线的到达角，d为mimo雷达的天线阵列的半波长，第k个虚拟接收天线为第二虚拟接收天线，k为小于或等于mn的正整数。
[0196]
可选地，相位差满足以下公式：
[0197][0198]
其中，dq(θ)为到达角为θ时第q个虚拟接收天线与第q-1个虚拟接收天线之间的距离。
[0199]
可选地，计算单元320还还用于：根据相位差和校准前的相位差实测值，确定mimo雷达的天线阵列校准的相位校准系数。
[0200]
本技术实施例还提供了一种到达角估计的装置。该装置可以为到达角估计的装置，也可以为设置于到达角估计的装置内的芯片或者电路，例如，该装置可以是路由器或者交换机，或者是路由器或者交换机内的芯片。
[0201]
该装置包括：处理器、存储器和通信接口。其中，存储器中存储有指令，处理器用于执行存储器中的指令，当该指令被执行时，该处理器用于执行上述方法实施例提供的方法，处理器还用于控制通信接口与外界进行通信。
[0202]
进一步地，该处理器、存储器和通信接口可以通过内部连接通路互相通信，传递控制和/或数据信号。
[0203]
进一步地，该存储器可以集成在处理器中，也可以与处理器分开设置。
[0204]
具体地，到达角估计的装置可以用于执行图3和图4中方法的各个步骤，该装置可以包括用于执行图3和图4中到达角估计的装置执行的方法的模块。并且，该装置中的各模块和上述其他操作和/或功能分别为了实现图3和图4中相应流程。各模块执行上述相应步骤的具体过程在方法中已经详细说明，为了简洁，在此不再赘述。
[0205]
本技术实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质包括计算机程序，当其在计算机上运行时，使得该计算机执行上述方法实施例提供的方法。
[0206]
本技术实施例还提供一种包含指令的计算机程序产品，当该计算机程序产品在计
算机上运行时，使得该计算机执行上述方法实施例提供的方法。
[0207]
本技术实施例还提供一种芯片系统，包括存储器和处理器，该存储器用于存储计算机程序，该处理器用于从存储器中调用并运行该计算机程序，使得安装有该芯片系统的网络设备执行上述方法实施例提供的方法。
[0208]
其中，该芯片系统可以包括用于发送信息或数据的输入电路或者接口，以及用于接收信息或数据的输出电路或者接口。
[0209]
应理解，本技术实施例中，该处理器可以为中央处理单元(central processing unit，cpu)，该处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
[0210]
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本技术的范围。
[0211]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0212]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0213]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0214]
另外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
[0215]
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，包括若干指令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(read-only memory，rom)、随机存取存储器(random access memory，ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0216]
以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何
熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。