視力+智力助力打通毫米波雷達(dá)“任督二脈”

在上一篇《淺談毫米波雷達(dá)系統(tǒng)和發(fā)展趨勢》文中，麥姆斯咨詢認(rèn)為毫米波雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展趨勢是朝著體積更小、功耗更低、集成度更高和多傳感器融合方向發(fā)展。毫米波雷達(dá)目前最大的“缺陷”就是“視力”不足，無法辨識行人和對周圍障礙物進(jìn)行精準(zhǔn)的建模，而“視覺”是實(shí)現(xiàn)高級自動駕駛最重要的環(huán)境感知。所以，為了幫毫米波雷達(dá)實(shí)現(xiàn)“視覺”功能，現(xiàn)在主流的做法是采用取長補(bǔ)短的方式，將毫米波雷達(dá)與其他“視覺”傳感器（攝像頭或激光雷達(dá)）技術(shù)融合。不過無論是攝像頭，還是激光雷達(dá)都容易受光線或惡劣天氣影響，性能會降低甚至失效，這種“視力”是有條件限制的。于是，很多新興企業(yè)在探索創(chuàng)新的毫米波雷達(dá)成像技術(shù)，意圖讓雷達(dá)自己“開眼”。

要想雷達(dá)成像，最核心的方向是提高雷達(dá)的分辨率。傳統(tǒng)的提高雷達(dá)分辨率方法中，增加帶寬是一種方式，當(dāng)前77GHz（頻段76~77GHz）帶寬在1GHz，而79GHz（頻段76~81GHz）帶寬可高達(dá)5GHz，顯然79GHz在分辨率上會更勝一籌而成為未來雷達(dá)成像主要的選擇。當(dāng)然帶寬有固定限制，還有一種方法就是擴(kuò)展天線的尺寸或者增加天線的數(shù)量。在車載毫米波雷達(dá)領(lǐng)域，囿于主機(jī)廠對毫米波雷達(dá)整體尺寸的車規(guī)級限制，這里的發(fā)揮空間并不大。所以，需要突破常規(guī)另辟蹊徑，目前比較熱門的方法有：合成孔徑雷達(dá)（SAR）、多輸入多輸出技術(shù)（MIMO）、超材料天線技術(shù)等。目前，部分技術(shù)已經(jīng)取得了突破性的進(jìn)展，智能雷達(dá)的圖像分辨率已經(jīng)迫近現(xiàn)有光學(xué)分辨率。下面我們概述這些雷達(dá)成像技術(shù)。

合成孔徑雷達(dá)（SAR）

合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，簡稱SAR），是一種利用合成孔徑技術(shù)及脈沖壓縮等信號處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高分辨率成像的雷達(dá)。SAR利用雷達(dá)與目標(biāo)的相對運(yùn)動，把尺寸較小的真實(shí)天線孔徑用數(shù)據(jù)處理的方法合成一個較大的等效天線孔徑，故稱“合成孔徑”雷達(dá)。SAR具有體積小、全天時、全天候、高分辨、大幅寬等多種特點(diǎn)。最初主要是機(jī)載、星載平臺，隨著技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了彈載、地基、無人機(jī)、臨近空間平臺、手持式設(shè)備、車載等多種形式平臺搭載的SAR，廣泛用于軍事和民用領(lǐng)域。

高分辨率在這里包含著兩方面的含義：即高的方位向分辨率和足夠高的距離向分辨率。它采用多普勒頻移理論和雷達(dá)相干理論為基礎(chǔ)的合成孔徑技術(shù)來提高雷達(dá)的方位向分辨率；而距離向分辨率的提高則通過脈沖壓縮技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。其基本原理如下（圖1）：

圖1 SAR基本原理

（1）合成孔徑技術(shù)實(shí)現(xiàn)方位向高分辨率

SAR利用機(jī)載平臺帶動天線運(yùn)動，如圖2，在不同位置上以脈沖重復(fù)頻率（PRF）發(fā)射和接收信號，并把一系列回波信號存儲記錄下來，然后作相干處理，就如同在所經(jīng)過的一系列位置上，都有一個天線單元在同時發(fā)射和接收信號一樣，這樣就在平臺所經(jīng)過的路程上形成一個大尺寸的陣列天線，從而獲得很窄的波束。如果脈沖重復(fù)頻率達(dá)到一定程度（足夠高），以致相鄰的天線單元間首尾相接，則可看作形成了連續(xù)孔徑天線。誠然這個大孔徑天線要靠信號處理的方法合成。這也是“合成孔徑”名字的原由。

圖2 SAR示意圖

根據(jù)SAR方位向分辨率的公式（見圖1公式4），我們可以得知SAR的分辨率與波長和目標(biāo)與天線的距離無關(guān)，而只與雷達(dá)的實(shí)際孔徑尺寸有關(guān)，而且天線尺寸越小，方位向分辨率越高，這與普通雷達(dá)的方位分辨率恰恰相反，從而大大的減小了雷達(dá)的體積，對頻率特定和空間有限的車載平臺而言是再合適不過了。

（2）脈沖壓縮技術(shù)實(shí)現(xiàn)距離向高分辨率

雷達(dá)距離向分辨率由雷達(dá)的帶寬決定（見圖1公式3），要想提高雷達(dá)的距離分辨率，則可減小脈寬或加大寬帶，但如果脈寬太小則平均功率太小，雷達(dá)的作用距離會受到很大的限制，所以我們希望雷達(dá)波形既具有較大的帶寬，又具有較長的持續(xù)時間。如果在一個帶寬信號的各頻譜分量上附加一個隨頻率作非線性變化的相位值，此寬帶信號將具有很長的持續(xù)時間，以滿足前述要求。這種附加的非線性相位的過程稱為信號的展寬過程，將展寬后的信號通過匹配濾波器，校正非線性相位使之同相，在匹配濾波器輸出端將得到窄脈沖型號，這個過程稱為脈沖壓縮。最早加以研究并獲得使用的脈沖壓縮信號就是線性調(diào)頻信號，線性調(diào)頻信號具有平方律的相位頻率關(guān)系，經(jīng)過匹配濾波器的壓縮，可以輸出窄脈沖。總之，采用脈沖壓縮波形，相對于原來的寬脈沖而言，由于通過匹配濾波器的壓縮，大大的改善了雷達(dá)的距離分辨率。

多輸入多輸技術(shù)（MIMO）

多輸入多輸出技術(shù)（Multiple-Input Multiple-Output，簡稱MIMO），是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線，使信號通過發(fā)射端與接收端的多個天線傳送和接收，在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，可以成倍的提高系統(tǒng)信道容量。

與SAR思想不同，MIMO雷達(dá)是利用多發(fā)多收的天線結(jié)構(gòu)等效形成虛擬的大孔徑陣列，以獲得方位向的高分辨力。而這種虛擬陣的形成是實(shí)時的，能夠避免傳統(tǒng)的SAR成像中存在的運(yùn)動補(bǔ)償問題。故MIMO雷達(dá)在成像應(yīng)用上有其獨(dú)特的優(yōu)勢。

審核編輯：符乾江