具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下对本发明涉及的技术术语进行描述：

4D毫米波雷达与3D毫米波雷达相比，增加了对俯仰角这个维度的参数的估计测量。在各种天气和能见度条件下保持鲁棒性，并在方位角和俯仰角上都能达到1度角分辨率（甚至在超分辨率算法下更低）的传感器就是成像毫米波雷达，也被称为4D毫米波雷达。

为了解决现有技术中校准操作精度较低的问题，本发明提供了一种毫米波雷达校准方法、校准装置及电子设备，通过根据相对位置差的估计值与相位差误差的估计差对实测的方位角和俯仰角进行校准，以准确测量出实际目标对象的方位角和俯仰角。

本发明所述毫米波雷达校准方法、校准装置及电子设备可应用于4D毫米波雷达，也能向下兼容3D、2D等毫米波雷达。

下面结合图1-图8描述本发明的毫米波雷达校准方法、校准装置及电子设备。

请参阅图1，图1是本发明提供的毫米波雷达校准方法的流程示意图，本发明实施例提供的一种毫米波雷达校准方法，所述毫米波雷达具有至少一个发射天线以及至少两个接收天线，所述至少两个接收天线包括第一接收天线、第二接收天线，包括：

步骤101，驱使所述毫米波雷达对目标点进行多次探测。

示例性地，所述步骤101进一步包括：确定所述毫米波雷达的初始法向并基于所述初始法向构建雷达坐标系，所述雷达坐标系用于定义目标点相对所述毫米波雷达的位置。

示例性地，本发明所述毫米波雷达校准方法可以是针对4D毫米波雷达的一种校准方案，由于4D雷达需要测量方位角和俯仰角，所以本发明在整个方位面和俯仰面上可寻找到全局最优的策略，即能够寻找到毫米波雷达测量的方位角和俯仰角的校准系数。

需要说明的是，所述第一接收天线和所述第二接收天线在说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。

示例性地，可按照预设的规则转动所述毫米波雷达以使其法向依序处于多个不同的空间方位，并在所述法向处于每个空间方位时驱使所述毫米波雷达对放置在所述毫米波雷达的初始法向正前方的所述目标点进行探测。例如，可将毫米波雷达安装在可以方位和俯仰转动的转台，在毫米波雷达的法向正前方放置一个目标点（例如角反射器），需满足远场条件。

其中，远场条件是一个点波源发出的球面波在一个场点（非点波源所在的点）可以被看作平面波的一个必要条件。远场条件保证了球面波的相位因子近似满足平面波的相位因子。

其中，所述预设的规则是指设置转台转动计划，例如可以设置转台转动计划为按方位行扫描的方式。具体的，设置按方位扫描的方式。

请参阅图2，图2是本发明雷达扫描范围的示意图，图中示出的是矩形面的点位图，设置行扫描范围，例如为-45°到45°，步进为1°；在行扫描时俯仰角不变，扫完一行后，移到下一个俯仰角，进行下一组行扫描。俯仰角的扫描范围，例如为-15°到15°，步进为1°。

需要说明的是，但本发明不限于矩形面的点位图，也可以是其它排布方式，例如椭圆形面等。

步骤102，基于每次探测所获得的方位角、俯仰角以及实测相位差组合实施平面拟合操作以得到所述第二接收天线相对于所述第一接收天线的相对位置差的估计值以及实测相位差与理论相位差之间的相位差误差的估计值，并基于所述相对位置差的估计值以及所述相位差误差的估计值校准所述毫米波雷达。

示例性地，针对每次探测，记录根据所述毫米波雷达的当前法向相对于所述毫米 波雷达的初始法向的相对关系得到的所述固定目标点当前相对于所述毫米波雷达的方位 角和俯仰角。例如，当所述毫米波雷达扫描到某一点时，测量两个天线阵元之间的实测相位 差，并将对应的方位角和俯仰角一起记录下来。也就是说，毫米波雷达在每一次探测时，系 统均会记录所述固定目标点当前相对于所述毫米波雷达的的方位角和俯仰角以及实 测相位差。

示例性地，以方位角0°和俯仰角0°点作为参考进行解缠绕。例如正常测量到的实 测相位差的范围为（-π，π），而实际值可能是±n*2π，n为正整数。

步骤103，基于每次探测所获得的方位角、俯仰角以及实测相位差组合实施平面拟合操作以得到所述第二接收天线相对于所述第一接收天线的相对位置差的估计值以及实测相位差与理论相位差之间的相位差误差的估计值并基于所述相对位置差的估计值以及所述相位差误差的估计值校准所述毫米波雷达。

需要说明的是，由于雷达设备设计原因或加工偏差，接收天线接收后的回波在后续过程所经过的路径不完全一样，这样就引入额外的相位，称之为天线通道的相位差。但当硬件加工一旦确定，回波在接收天线之后所经过的路径也就确定，因此可认为对每个雷达而言所述天线通道的相位差是固定的，可以采取适当的方法对所述天线通道的相位差进行校准，不会影响到雷达对目标的角度的估计测量的。因此，本发明所述毫米波雷达是通过上述所述相对位置差的估计值以及所述相位差误差的估计值对毫米波雷达进行校准，以实现后续毫米波雷达对目标的角度的准确测量。

以下对上述步骤101至步骤103进行更具体的描述。

上述确定所述毫米波雷达的初始法向并基于所述初始法向构建雷达坐标系的步骤包括：

步骤201，将所述毫米波雷达的初始位置处的雷达平面的法向作为所述毫米波雷达的初始法向。

步骤202，将所述毫米波雷达的初始法向作为轴以及将所述第一接收天线所处 的位置作为坐标原点来构建包含X轴、Y轴和Z轴的所述雷达坐标系，其中，所述第一接收天 线和所述第二接收天线的轴坐标均为0。

示例性地，请参阅图3，图3为本发明构建雷达坐标系的示意图，图3是用于定义雷 达坐标系，图中的立方体并朝向X轴的平面为雷达平面，X轴为雷达法向，图中表示雷达 测量的目标点P的方位角，表示雷达测量的目标点P的俯仰角，目标点P到原点O的距离为 r，其坐标为（Px，Py，Pz）。在一个实施例中，图中目标点P可以与第二接收天线RX2在同一个 平面，例如同在YOZ平面内，则dx等于0。

假设第一接收天线RX1的坐标为（0，0，0），第二接收天线RX2（图中未标示）的坐标 为（0，，），所述雷达坐标系是以第一接收天线RX1为中心作为原点O。

以下对上述步骤102中产生相位差的原因进行说明：

目标的角度估计测量一般利用多通道天线，不同天线接收到的回波（回波是指从目标反射回来的信号）相位与目标所在角度满足特定的关系。请参阅图4，图4是现有技术估计测量方位角的示意图，以一个包含一个发射天线（TX）和两个接收天线（RX1、RX2）的雷达为例进行说明。

发射天线（TX）发射的信号由目标反射回来，一般情况下，回波满足远场条件，即可近似看作平行波。这时两个接收天线（RX1、RX2）接收到回波的相位是不同的（因为回波的路径长短不同），两者的相位差满足特定的关系：

φ=2πdsin(θ)/λ；

其中，φ为两个接收天线（RX）接收到信号的相位差，d为接收天线间距（已知量），λ为发射信号的波长（已知量），θ为目标的方位角。

示例性地，通过后续的信号处理可估计出φ，进而估计出方位角θ=arcsin(φ*λ/(2πd)。但是图4仅示出了估计测量方位角的示例，但并未考虑俯仰角。而本发明所述毫米波雷达不但需要考虑方位角的测量，还考虑俯仰角的测量，因此，本发明提出了一种毫米波雷达校准方法，可以实现对方位角和俯仰角的校准。

以下对上述步骤103的校准方法的具体计算过程进行描述。

上述步骤103中，所述基于每次探测所获得的方位角、俯仰角以及相位差组合实施平面拟合操作包括：

步骤301，针对每次探测所获得的方位角、俯仰角以及实测相位差组合计算对应的第一中间参数、第二中间参数以及第三中间参数。

示例性地，根据下列公式计算所述第一中间参数、第二中间参数以及第三中间参数：

；

其中，表示所述第一中间参数、表示所述第二中间参数、Z表示所述第三中 间参数，θ表示目标点的方位角，φ表示目标点的俯仰角，表示与同组的方位角和俯仰角 对应的实测相位差。

因此，根据可以计算出点位对应的，，而Z 为上述步骤103中所述的点位对应的解缠绕的实测相位差。

步骤302，基于预设的平面方程以及根据所有探测所获得的所述第一中间参数、第二中间参数以及第三中间参数实施所述平面拟合操作以得到第一参数、第二参数以及第三参数的估计值，并根据所述第一参数、第二参数以及第三参数的估计值得到所述相对位置差的估计值以及所述相位差误差的估计值。

示例性地，根据下列平面方程实施所述平面拟合操作以得到第一参数a、第二参数b以及第三参数c的估计值：

。

以下对上述所述平面方程式的推导进行具体说明：

由上述可知，第一接收天线RX1、第二接收天线RX2的坐标分别为（0，0，0）和（0， ，），即以RX1为中心作为原点O。

第一接收天线RX1和第二接收天线RX2在理论上测量到目标点P回波的理论相位差为：

；

其中，表示与同组的方位角和俯仰角对应的理论相位差，表示俯仰角，表 示方位角，λ为发射信号的波长。

但由于天线通道的相位不一致性的存在，所以实际测量到目标点P回波的实测相位差应为：

；

其中，表示与同组的方位角和俯仰角对应的实测相位差，表示俯仰角，表 示方位角，λ为发射信号的波长，表示因天线通道的相位不一致而产生的相位误差。

所述实测相位差与所述理论相位差相比，主要是因为天线通道的相位不一致性而 导致产生了天线通道的相位误差，因此本发明需要通过估计出的所述接收天线坐标位 置偏差参数（即所述相对位置差的估计值和所述相位差误差的估计值）对所述实测相位差的方位角和俯仰角进行校准。

对上述所述实测相位差的式子进行变形，得到：

。

令，则得到：

。

即是上述所述的实施平面拟合操作的平面方程式。

示例性地，使用最小二乘法拟合所述平面方程，以得到 所述第一参数a、第二参数b以及第三参数c的估计值。

例如，基于方程式，构建最小二乘误差函数：

。

当所述最小二乘误差函数S取最小值时，得到最佳拟合的平面。

具体地，在最小二乘法中，可以将、、视为自变量，并对其进行求导，然后通 过用矩阵的形式得到、、的表达式，然后通过将测量数据（即第一中间参数、第二 中间参数、第三中间参数）导入该表达式，则可计算出的、、的估计值。具体最 小二乘法的计算过程在此不再具体赘述。

步骤303，根据所述第一参数、第二参数以及第三参数的估计值得到所述相对位置差的估计值以及所述相位差误差的估计值。

示例性地，根据下列公式得到所述相对位置差的估计值以及所述相位差误差的估计值：

；

其中， a表示所述第一参数、b表示所述第二参数、表示所述第三参数，λ为发射 信号的波长，表示所述相位差误差的估计值，表示所述第二接收天线在Y轴上相对 于所述第一接收天线的相对位置差的估计值，表示所述第二接收天线在Z轴上相对于 所述第一接收天线的相对位置差的估计值。

上述步骤103中，所述基于所述相对位置差的估计值以及所述相位差误差的估计值校准所述毫米波雷达的步骤包括：

步骤401，将所述相位差误差的估计值设置为所述第一接收天线和所述第二接 收天线的相位补偿基准值。

示例性地，假设第一接收天线RX1和第二接收天线RX2原始的幅度和相位信息分别 为、，将所述相位差误差的估计值对天线通道进行相位补偿后的结果分 别为、。

步骤402，分别用所述第二接收天线在Y轴和轴上相对于所述第一接收天线的 相对位置差的估计值、代替实际值，以用于后续根据所述相位补偿基准值、所述相 对位置差的估计值执行针对探测对象的方向角和俯仰角的计算操作。

示例性地，基于上述、的相位补偿结果，将 , 代替 上述实测相位差公式中的 , 实际值，以用于后续针对探测对象的方向角和俯仰 角的计算操作。

示例性地，本发明所述毫米波雷达校准方法还包括：

基于所述相对位置差的估计值和所述相位差误差的估计值，对实际目标进行方位角和俯仰角的测量。

由于对每个雷达而言所述天线通道的相位差是固定的，可以采取本发明所述的校准方法对所述天线通道的相位差进行校准，而不会影响到雷达对实际目标的角度的估计测量。因此，本发明所述毫米波雷达是通过所述相对位置差的估计值以及所述相位差误差的估计值对毫米波雷达进行校准，以实现毫米波雷达对目标的方位角和俯仰角的准确测量。

具体地，可以将估计出的所述相对位置差的估计值以及所述相位差误差的估计值存储至毫米波雷达内部的存储器，以便于毫米波雷达在后续测量过程中，可以使用校准的所述相对位置差的估计值以及所述相位差误差的估计值对待检测目标（即实际目标）进行测量，从而提高毫米波雷达测量的准确性。

以下针对现有技术的点校准方法或线性拟合校准方法进行具体描述，以区别于本申请所述平面拟合校准方法。

（1）现有技术的点校准方法：

所述点校准是只使用一个角度点的目标（通常是雷达法向方向，方位角和俯仰角均是0度）进行校准。理论上对于确定角度点目标的回波相位差也是确定的，如果测量到的相位差与之不同，那么这个差值即为通道相位的不一致，然后将这个差值作为校准因子，后续的测角都使用它进行补偿即可。

（2）现有技术的线性拟合校准方法：

所述线性拟合校准则会选取使用多个方位角及对应相位差，例如采用上述公式φ=2πdsin(θ)/λ，φ和sin(θ)满足线性关系，线性拟合后可估计拟合直线的斜率和截距，斜率对应天线间距，截距对应通道相位不一致性，这种方法考虑了整个方位角的全局最优，甚至如果天线间距有加工误差的话也可以进行校准。

但是，实际上天线接收的回波相位跟理论是不同的，在空间上存在波动性，即不同的角度的相位差跟理论的相位差的偏差是不同的。因此，使用所述点校准方法可以把所选点的位置校准得十分准确，而其他角度未必很好，因为所选的点很可能是一个相对理论值差距较大的点；而使用所述线性拟合校准对于3D雷达（3D雷达只估计距离、方位角和多普勒速度，而不估计俯仰角）在全局可找到相对较优的校准因子，但对于4D雷达则还不够全面。

请参阅图5、图6，图5是本发明校准前测角误差的示意图，图6是本发明校准后测角误差的示意图，横轴为实际目标角度，纵轴为测量角度相对实际目标角度的误差，即测量角度-实际目标角度。

综上所述，本发明提供的所述毫米波雷达校准方法，通过根据相对位置差的估计值与相位差误差的估计差对实测的方位角和俯仰角进行校准，以准确测量出实际目标对象的方位角和俯仰角。

下面对本发明提供的毫米波雷达校准装置进行描述，下文描述的毫米波雷达校准装置与上文描述的毫米波雷达校准方法可相互对应参照。

请参阅图7，图7是本发明提供的用于4D毫米波雷达的校准装置的结构示意图，本发明所述一种毫米波雷达的校准装置500，所述毫米波雷达具有至少一个发射天线以及至少两个接收天线，所述至少两个接收天线包括第一接收天线、第二接收天线，所述装置包括实测驱动模块502、记录模块503、平面拟合模块504以及校准模块505。

实测驱动模块502，用于驱使所述毫米波雷达对目标点进行多次探测。

记录模块503，用于针对每次探测，记录所述目标点当前相对于所述毫米波雷达的方位角和俯仰角，以及根据来自所述目标点的回波得到的所述第一接收天线的接收信号和所述第二接收天线的接收信号之间的实测相位差；

平面拟合模块504，用于基于每次探测所获得的方位角、俯仰角以及实测相位差组合实施平面拟合操作以得到所述第二接收天线相对于所述第一接收天线的相对位置差的估计值以及实测相位差与理论相位差之间的相位差误差的估计值；

校准模块505，用于基于所述相对位置差的估计值以及所述相位差误差的估计值校准所述毫米波雷达。

示例性地，所述毫米波雷达的校准装置500还包括坐标构建模块501，其用于确定所述毫米波雷达的初始法向并基于所述初始法向构建雷达坐标系。

示例性地，所述实测驱动模块502还用于：

按照预设的规则转动所述毫米波雷达以使其法向依序处于多个不同的空间方位，并在所述法向处于每个空间方位时驱使所述毫米波雷达对放置在所述毫米波雷达的初始法向正前方的固定目标点进行探测。

示例性地，所述记录模块503还用于：

针对每次探测，记录根据所述毫米波雷达的当前法向相对于所述毫米波雷达的初始法向的相对关系得到的所述固定目标点当前相对于所述毫米波雷达的方位角和俯仰角。

示例性地，所述坐标构建模块501还用于：

将所述毫米波雷达的初始位置处的雷达平面的法向作为所述毫米波雷达的初始 法向，并将所述毫米波雷达的初始法向作为轴以及将所述第一接收天线所处的位置作 为坐标原点来构建包含X轴、Y轴和Z轴的所述雷达坐标系，其中，所述第一接收天线和所述 第二接收天线的轴坐标均为0。

所述平面拟合模块504还用于：

针对每次探测所获得的方位角、俯仰角以及实测相位差组合计算对应的第一中间参数、第二中间参数以及第三中间参数；

基于预设的平面方程以及根据所有探测所获得的所述第一中间参数、第二中间参数以及第三中间参数实施所述平面拟合操作以得到第一参数、第二参数以及第三参数的估计值，并根据所述第一参数、第二参数以及第三参数的估计值得到所述相对位置差的估计值以及所述相位差误差的估计值。

示例性地，所述平面拟合模块504还用于：

根据下列公式计算所述第一中间参数、第二中间参数以及第三中间参数：

；

其中，X表示所述第一中间参数、Y表示所述第二中间参数、Z表示所述第三中间参 数，θ表示所述目标点的方位角，φ表示所述目标点的俯仰角，表示与同组的方位角和俯 仰角对应的实测相位差；

根据下列平面方程实施所述平面拟合操作以得到第一参数a、第二参数b以及第三参数c的估计值：

。

示例性地，所述平面拟合模块504还用于：

根据下列公式得到所述相对位置差的估计值以及所述相位差误差的估计值：

；

其中， a表示所述第一参数、b表示所述第二参数、表示所述第三参数，λ为发射 信号的波长，表示所述相位差误差的估计值，表示所述第二接收天线在Y轴上相对 于所述第一接收天线的相对位置差的估计值，表示所述第二接收天线在Z轴上相对于 所述第一接收天线的相对位置差的估计值。

示例性地，所述平面拟合模块504还用于：

使用最小二乘法拟合所述平面方程，以得到所述第一 参数a、第二参数b以及第三参数c的估计值。

示例性地，所述校准模块505还用于：

将所述相位差误差的估计值设置为所述第一接收天线和所述第二接收天线的 相位补偿基准值；

分别用所述第二接收天线在Y轴和轴上相对于所述第一接收天线的相对位置 差的估计值、代替实际值，以用于后续根据所述相位补偿基准值、所述相对位置差 的估计值执行针对探测对象的方向角和俯仰角的计算操作。

请参阅图8，图8示例了一种电子设备的实体结构示意图，该电子设备可以包括：处理器(processor)810、通信接口(Communications Interface)820、存储器(memory)830和通信总线840，其中，处理器810，通信接口820，存储器830通过通信总线840完成相互间的通信。处理器810可以调用存储器830中的逻辑指令，以执行前面所述的任一种毫米波雷达校准方法。

此外，上述的存储器830中的逻辑指令可以通过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，本发明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）执行本发明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。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中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模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，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）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。