一文詳解毫米波雷達的基本原理

1. 雷達的基本概念

無線電探測及測距（Radio Detection and Ranging）， 發(fā)射電磁波并接收目標反射的回波信號，通過對比發(fā)射信號與回收信號，獲取目標的位置、速度等信息。

1.1 毫米波雷達分類

雷達的分類

? 所發(fā)射電磁波的頻段，決定了雷達的基本性能特點

? 超視距雷達、微波雷達、毫米波雷達、激光雷達、…

?按照用途分類:軍用，氣象，導航，車載

?按照波長分類:米，分米，厘米，毫米

?按照波形分類:脈沖，連續(xù)波

按照波長和用途分類

?長波雷達(米，分米)，分辨率低，穿透性強
?一般用于廣播，軍事預警，衛(wèi)星通訊等

?短波雷達(厘米，毫米)，分辨率高，穿透性差
?一般用于測繪，短程通訊，車載應用等

按照波形分類

?脈沖雷達
?通過脈沖發(fā)送和接收的時間差來確定目標的距離
?不能確定目標的速度

?連續(xù)波雷達
?發(fā)射信號在時間上是連續(xù)的
?發(fā)射信號的頻率是隨著時間變化的(調(diào)頻連續(xù)波)

1.2 信息的傳輸

調(diào)制：將調(diào)制信號（待傳輸信息）混合到載波信號（起到載運作用的信號）的過程，可分為調(diào)頻，調(diào)幅，調(diào)相。 解調(diào)：相反的過程，即從混合信號中恢復出待傳輸信息。 帶寬：調(diào)制信號頻譜的寬度，帶寬高有利于傳輸更多數(shù)據(jù)。

?毫米波雷達使用的電磁波波長介于1-10mm，波長短、頻段寬，比較 容易實現(xiàn)窄波束，雷達分辨率高，不易受干擾

?早期被應用于軍事領域，隨著雷達技術的發(fā)展與進步，毫米波雷達傳 感器開始應用于汽車電子、無人機、智能交通等多個領域。

1.3毫米波雷達的信號頻段

1.4 毫米波雷達工作原理

在車載毫米波雷達中，目前主要有三種調(diào)制方案：調(diào)頻連續(xù)波（FrequencyModulated Continuous Wave, FMCW），頻移鍵控（Frequency Shift Keying, FSK）以及相移鍵控（Phase Shift Keying, PSK）。 主流車載毫米波雷達所采用的的調(diào)制信號為調(diào)頻連續(xù)波FMCW。

其基本原理是在發(fā)射端發(fā)射一個頻率隨時間變化的信號，經(jīng)目標反射后被接收機接收，通過反射信號和接收信號之間的混頻，得出兩個信號的頻率差，隨后通過電磁波傳播公式和多普勒效應公式求出目標距離和速度。 測距測速是通過分析發(fā)射和接收的調(diào)頻連續(xù)之間的區(qū)別來實現(xiàn)。 測量角度是通過計算不同天線單元之間的延時差來計算。

1.4.1 毫米波雷達測速測距的數(shù)學原理

1.4.2 毫米波雷達測角度的數(shù)學原理

一對收發(fā)機所采集到的信號是不具備角度信息的， 因此需要采用多路發(fā)射多路接收的架構，或者采用相控陣架構。 短波長和小天線孔徑就很有必要了，短波長意味著波束更窄，能量更加集中；更小的孔徑尺寸意味著系統(tǒng)上能集成更多的天線單元，這些都有利于提高角分辨率。

1.4.3 硬件接口

?天線向外發(fā)射毫米波，接收目標反射信號

?信號處理器完成回波信號處理

?算法芯片完成原始點云目標的進一步處理

?CAN接口完成毫米波處理數(shù)據(jù)的發(fā)送以及配置信息的輸入

1.4.4 關鍵零部件

毫米波雷達的天線接發(fā)系統(tǒng)
? PCB板實現(xiàn)MMIC(單片微波集成電路)
? 包括接收電路單元，負責發(fā)射與接收連續(xù)調(diào)頻波

毫米波雷達的信號處理芯片
? 包含信號處理器和算法芯片
? 完成回波信號處理與目標感知結(jié)果的計算

1.4.5 數(shù)據(jù)的協(xié)議與格式

傳輸層協(xié)議：網(wǎng)口UDP/IP協(xié)議，或者CAN接口

?控制器局域網(wǎng)總線（CAN，Controller Area Network）是一種用 于實時應用的串行通訊協(xié)議總線

數(shù)據(jù)格式：按照CAN編碼機制，確定雷達的輸入配置信息與輸出數(shù)據(jù)格式 數(shù)據(jù)格式：按照CAN編碼機制，確定雷達的輸入配置信息與輸出數(shù)據(jù)格式

?CAN報文

13個字節(jié) 信息段（5Byte）+數(shù)據(jù)段（8Byte） 數(shù)據(jù)段按照事先規(guī)定好的報文規(guī)則進行編碼和解碼

?CAN報文解析使用方法

數(shù)據(jù)內(nèi)容：不同內(nèi)容使用不同的CAN協(xié)議 Cluster類型：包含3類message：

?Header(數(shù)量n)

?+n個數(shù)據(jù)消息(距離/角度/速度)

?+n個質(zhì)量消息(數(shù)據(jù)的方差)(1≤n ≤ 256）

1.5車載毫米波雷達的重要參數(shù)

常見參數(shù)：

?測量性能 測距范圍
距離/水平角/速度 分辨率 (可對兩個物體進行區(qū)分的最小單位)
距離/水平角/速度 精度 (測量不確定性)

?操作條件 雷達發(fā)射功率、傳輸能力、電源、功耗、操作溫度

1.6 車載毫米波雷達的三種典型應用

毫米波雷達具有全天侯適應性，是高級別自動駕駛實現(xiàn)必備的環(huán)境感知傳感器。 77GHz及79GHz雷達是未來車載毫米波雷達的發(fā)展方向，國內(nèi)正處于快速追趕時期。

2. FMCW雷達的工作流程

PS：此部分主要是為了簡單理解FMCW雷達的工作原理，是對第一章內(nèi)容的補充。

總結(jié)一下，F(xiàn)MCW雷達的工作流程：

?合成器生成一個線性調(diào)頻信號 ;

?發(fā)射天線( TX )發(fā)射線性調(diào)頻信號;

?接收天線( RX )捕獲目標對線性調(diào)頻信號的反射;

?混頻器將RX和TX信號合并到一-起，生成一個中頻(IF )信號。

2.1 線性調(diào)頻脈沖信號

對于一個脈沖信號

2.2 混頻器

作用：將TX和RX的信號合并生成一個新的信號IF TX發(fā)射信號：

2.3單目標距離估計

PS：此處估計為了簡要分析，雷達與目標的相對速度為0。

2.4多目標距離估計

圖片來源

?來自三個目標的RX接收信號，每個信號有不同的延時，延時和與目標的距離成正比。

?不同的RX接收信號轉(zhuǎn)化為多個單音信號，每個信號的頻率差是恒定的(fb1 , fb2 , fb3 )

?混頻器輸出的是多個單音信號的疊加。對該信號進行FFT操作，會產(chǎn)生一個具有不同的峰值的頻譜，每個峰值表示在特定距離處的目標。

距離分辨率是指雷達能區(qū)分兩個不同目標的最小距離。傅里葉變換理論指出:觀測時間窗口T,可以分辨間隔超過1 / T Hz的頻率分量。 因此，兩個目標反射信號頻率差的差值需要滿足。

因此，從式子中我們可以得到提高分辨率的方法：提高帶寬B,延長chirp信號。

2.5 單目標速度估計

FMCW雷達會發(fā)射兩個間隔Tc的線性調(diào)頻脈沖(兩個Chirp) ，相應的IF信號為:

在這里有兩個近似條件：

2.6多目標速度估計

發(fā)射一組M個等間隔線性調(diào)頻脈沖(M個Chirp),對N這個維度進行FFT處理(距離FFT) ，得到M個頻譜。

?如果目標距離相同，速度不同，M個頻譜的峰值相同，但相位不同，包含來自多個目標的相位成分。

?如果目標距離不同，速度不同，M個頻譜都會出現(xiàn)多個峰值，每個峰值的相位都不同。 對M這個維度進行FFT處理(速度FFT) ，可以分離多個相位分量。

速度分辨率:雷達能區(qū)分兩個不同目標的最小速度差。

提高速度分辨率的方法:提高幀時間，Chirp時 間固定的話等價于增加Chirp個數(shù)。

審核編輯：劉清