过去几年，学术界和工业界对极化测量在汽车雷达领域的应用兴趣日益浓厚。鉴于汽车雷达技术可用的天线数量不断增加，通过使用正交极化来更准确地了解周围环境的观点现在变得非常有吸引力。
本文旨在介绍一种全极化汽车雷达前端。本文研究了极化汽车雷达的要求，并介绍了一种工作在 76-81 GHz 频段的 12×16 天线系统的设计及其实现方法。系统校准是使用二面角反射器进行的，详细分析了其特性并加以利用以达到与雷达的最佳对准，从而允许通过仅测量一个目标和一个散射矩阵来进行极化校准。通过在微波暗室的受控环境和室外进行的几次真实雷达测量，验证并展示了系统的有效性以及极化测量对汽车雷达应用的潜在影响。通过将泡利分解（Pauli decomposition）应用于极化数据，研究了不同的应用，例如多径检测和目标分类。
1、概述
过去几年，雷达系统在汽车技术领域发挥了重要作用，它们的使用对于高级驾驶辅助系统 (ADAS) 的实施和应对自动驾驶 (AD) 带来的挑战至关重要 [1]、[2]、[3]。
这项技术基于电磁波的发射和反射分析，可实现汽车行业广泛采用的功能，例如自适应巡航控制、盲点检测和紧急制动辅助。汽车雷达大多是调频连续波 (FMCW) 雷达，工作频段为 76-81 GHz，属于毫米波 (mm-wave) 技术。它们几乎可以在任何天气和光照条件下运行，由于学术界和工业界都对这一主题的研究付出了努力，汽车雷达被认为是一项发展非常迅速的技术。
多输入多输出 (MIMO) 系统中的角分辨率取决于天线阵列的孔径，孔径越大，角分辨率越好。因此，从历史上看，汽车雷达通常采用单极化，使用少数可用天线一起形成尽可能大的单个阵列，从而优化角分辨率。如今，由于微波和毫米波技术的进步，汽车雷达拥有更多的天线。更多的天线使得形成多个阵列、采用不同极化成为可能，而不会大幅降低阵列孔径和角分辨率。因此，极化测量在汽车雷达中的应用最近引起了人们的兴趣 [4]、[5]、[6]。
雷达极化测量旨在通过结合来自不同极化的信息来确定观测场景的散射特性，具体而言，它基于两个正交极化基的使用。对于全极化雷达系统，两种采用的极化都会被发射和接收，从而可以检索由两个同极化和两个交叉极化阵元组成的整个散射矩阵。准单站雷达散射矩阵的互易性确保两个交叉极化阵元的幅度和相位相等。因此，考虑到在雷达极化测量中，只有相对相位才重要，可用信息由三个幅度分量（（两个同极化和一个交叉极化，考虑到互易性））和两个相对相位分量（通常是HV与VH之间的相对相位，以及它们与同极化分量之间的相对相位）组成。与单极化雷达提供的信息相比，尽管虚拟接收器 (RX) 的成本更高，但极化测量提供的信息量却是单极化雷达的五倍 [6]。
极化测量提供的额外信息使人们能够更深入地了解观察到的散射机制，从而了解目标。后向散射机制取决于目标的形状、材料和方向。此外，微波散射基本上可以分为两类：点目标散射和分布式散射。第一个是指标准或有限体的散射，其特性定义明确，可以用公式或数值计算来描述。产生这种散射的目标在延伸上是有限的，当在远场观察时，它们会产生一个散射场，该散射场似乎源自单个点源。另一方面，分布式散射本身可以进一步分为两类：表面散射和体积散射。在这种情况下，散射是由复杂的地表物理介质产生的，例如粗糙的表面或植被。在处理这些类型的现象时，散射函数需要用统计方法来描述。除了经典的同极化之外，检测和分析交叉极化对于全面了解观察到的场景和解决分布式散射中可能出现的去极化效应至关重要[7]。
要获取这些信息，通常需要应用极化分解。现有文献中记录了大量分解，如文献[8] 中强调的那样；然而，直到最近的调查才系统地探索了它们在汽车数据中的应用。在文献[9] 中，应用了相干分解 Pauli 分解，而在文献[10] 中，研究了非相干分解 HαA 的使用。
总体而言，通过利用极化提供的这一额外数据层，汽车系统可以实现对环境的更高层次的理解。此外，它的加入有助于提高物体和道路识别和分类 [10]、[11]、[12]、[13]、[14]，有助于实现更准确的检测并增强自动驾驶汽车的安全性能。这项突破性技术与汽车行业追求实现更高水平的自主性相一致，精确而强大的传感器技术对于确保安全和高效的运行至关重要。
近年来，文献 [15]、[16]、[17] 记录了具有不同特性的汽车应用的极化天线系统的实现。同时，过去也研究了不同的极化雷达校准技术。文献[18] 和文献 [19] 中介绍了一般校准技术，而 文献[20] 中介绍了一种基于理想交叉极化隔离天线系统假设的技术。一般来说，所有这些技术都需要使用多个标准目标 [21]、[22] 或至少测量几个散射矩阵 [23]。
本文旨在研究专为汽车应用设计的全极化雷达前端的实现和应用，阐明关键方面，例如采用极化的重要性以及系统的要求。为此，详细研究了由 12 个发射器 (TX) 和 16 个 RX 组成的全极化天线系统的设计。具体来说，可用的 TX 和 RX 分为6Tx 和8Rx 水平极化 (H 极化) 和6Tx 和8Rx 垂直极化 (V 极化) 扇形喇叭天线。利用二面角反射器的特性来实现目标和雷达之间的最佳对准。这与所提出的天线系统 32 dB 的高交叉极化隔离相结合，通过测量单个散射矩阵实现了极化校准。对系统进行了测试，并对实际数据测量进行了极化处理。展示了相干数据分解的应用，验证了系统的稳健性和极化在该领域的潜力。
本文的结构如下，在第二部分中，说明了极化汽车雷达的主要要求。第三节展示了天线系统的设计和测试。第四节描述了校准步骤，而第五节展示了测量工作和得到的结果，第六节介绍了本文的结论。
2、汽车极化雷达要求
雷达偏振测量基于不同偏振的区分和整个散射矩阵的检索，其形式如下式[6]：
