從構造和原理到應用,毫米波雷達為何還未被雷射雷達取代?
2020-11-23 EDN電子設計技術一、引子
首先要明確，這裡要講的雷達是發射電磁波的正經雷達，而不是發射機械波的倒車雷達。z7tednc
二戰軍迷和歷史研究者大概對雷達技術的淵源了如指掌：第一臺實用雷達就是用於探測試圖半夜從空中越過英吉利海峽的德農——坐著飄在天上的金屬殼的德農。之後雷達既在太平洋夜戰中碾壓過島國訓練有素的戰列艦觀察兵的光榮時刻，也有過在貝卡谷地被猶太人的反輻射飛彈炸成渣渣的慘痛歷史。z7tednc
雷達從戰爭機器轉職交通行業的初期伴隨著無數車主的血淚——雷達測速。而現在雷達成為了車主擺脫油門的助手——自適應巡航的主傳感器，以及併線的保護神——盲點監測和併線輔助用傳感器，還偶爾扮演避免追尾事故的最後一道防線——自動緊急制動用傳感器。z7tednc
二、構造和原理
目前車載雷達的頻率主要分為24GHz頻段和77GHz頻段，其中77GHz頻段代表著未來的趨勢：這是國際電信聯盟專門劃分給車用雷達的頻段。嚴格來說77GHz的雷達才屬於毫米波雷達，但是實際上24GHz的雷達也被稱為毫米波雷達。z7tednc
在工程實踐中，雷達天線具體實現的方法有很多種。目前車載雷達中比較常見的是平面天線陣列雷達，因為相比其他實現方式，平面雷達沒有旋轉機械部件，從而能保證更小的體積和更低的成本。下面以目前常見的平板天線雷達為例，介紹車載雷達的構造和原理。z7tednc
先對車載雷達有個直觀地認識：z7tednc
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炸開看看：z7tednc
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其中這一片就是天線陣列，如下圖所示：z7tednc
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其中從上至下分別是10條發射天線TX1，然後是2條發射天線TX2，最後是4條接收天線RX1至RX4。z7tednc
兩組發射天線分別負責探測近處和遠處的目標，其覆蓋範圍如下圖所示：z7tednc
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這裡因為近處的視角（FOV）比較大，大概有90度，所以需要更多天線，而遠處的視角小，大概只有20度，所以兩根天線就夠了。z7tednc
雷達裝在車上的樣子如下圖所示：z7tednc
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雷達通過天線發射和接收電磁波，所發射的電磁波並非各向均勻的球面波，而是以具有指向性的波束的形式發出，且在各個方向上具有不同的強度，如下圖所示：z7tednc
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雷達主要測量目標的三個參數：位置、速度和方位角。下面簡單說說這三個參數的測量原理。z7tednc
位置和速度z7tednc
這兩個參數的測量原理在小學科普課本裡就講了：雷達波由發射天線發出、被目標反射後，由接收天線接收雷達回波。通過計算雷達波的飛行時間，乘以光速再除以2就可以得到雷達和目標之間的距離。z7tednc
而根據都卜勒效應，通過計算返回接收天線的雷達波的頻率變化就可以得到目標相對於雷達的運動速度，簡單地說就是相對速度正比於頻率變化量。當目標和自車接近時，回波的頻率相比發射頻率有所升高，反之則頻率降低。z7tednc
實現位置和速度的測量的具體方法根據雷達採用的調製方式的不同而有所不同。雷達的調製簡單來說就是為了實現雷達回波的識別和飛行時間的測量，需要在雷達發射的電磁波上加入標記和時間參考。在車載雷達中主要使用幅值調製和頻率調製兩種方式。z7tednc
方位角z7tednc
通過並列的接收天線收到同一目標反射的雷達波的相位差計算得到目標的方位角。原理如下圖所示：z7tednc
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其中方位角αAZ可以通過兩個接收天線RX1和RX2之間的幾何距離d以及兩天線收到雷達回波的相位差b通過簡單的三角函數計算得到。z7tednc
三、應用實例
毫米波雷達最常見的三種用途是：z7tednc
- ACC（自適應巡航）
- BSD&LCA（盲點監測和變道輔助）
- AEB（自動緊急制動，通常配合攝像頭進行數據融合）
作為已經量產多年的技術，我想就不用再介紹以上功能的具體內容了。讓我們來說點更有趣的事：z7tednc
a) 雷達的數據處理流程z7tednc
實現ACC等功能的核心技術是目標識別與跟蹤。在接收天線收到雷達回波並解調後，控制器對模擬信號進行數字採樣並做相應的濾波。接下來用FFT手段將信號變換至頻域。接下來尋找信號中特定的特徵，例如頻域的能量峰值。在這一步還不能得到我們需要的目標，獲取的僅僅是雷達波的反射點的信息。z7tednc
並且，對於很多高性能雷達來說，此時獲得的多個反射點可能來自一個物體，例如一輛貨車可能形成5-10個反射點。所以首先還要將很可能屬於同一物體的反射點匹配到同一個反射點集群中。接下來通過跟蹤各個反射點集群，形成對物體的分布的猜測。z7tednc
在下一個測量循環中，例如通過卡曼濾波，基於上一次的物體分布，預測本測量循環中可能的物體分布，然後嘗試將當前得到的反射點集群與預測結果進行匹配，例如通過比較物體的位置和速度等參數。當反射點集群與上一測量循環得到的物體信息匹配成功時，就得到了該物體的「軌跡」，同時該物體的可信度增加，反之則可信度下降。只有當一個物體的可信度超過一定門限時，該物體才會成為我們關心的目標而進入所謂的目標列表。z7tednc
b) 關於雷達的兩個小問題z7tednc
- 雷達到底能不能探測到靜止目標？
很多早期的ACC系統不會對靜止物體作出反應，也就是說，如果前方有靜止物體，例如在進入探測範圍之前就停在前方的車輛，ACC並不會將該車作為目標，不會發出減速請求。所以有人以為雷達無法探測靜止物體，這其實是一個誤解。z7tednc
通過之前的敘述，我們可以看到，雷達探測能力只和物體的雷達波反射特性有關，不涉及其任何運動特性，所以只要物體的雷達反射截面足夠大，該物體不存在無法探測的問題。早期ACC不對靜止物體作出反應主要是由於目標分類的緣故。由於早期的雷達的角解析度較低，導致高度方向和橫向的解析度較低，無法很好的區分可以越過的物體，例如井蓋，或者可以從下方穿過的物體，例如路牌。z7tednc
所以為了避免ACC誤動作，比如在高速公路上由於路牌而制動，設計成不對從探測到開始就保持的靜止物體進行反應，因為無法判斷該物體是基礎設施還是交通參與者。另一方面，即使是早期的ACC系統，由於雷達保存了該目標的歷史信息，如果已經探測到的車輛從行駛中制動到停止，系統仍然能夠將該物體劃分為交通參與者，從而進行制動。z7tednc
- 相比雷射雷達的優勢？
隨著自動駕駛的火熱，雷射雷達受到前所未有的追捧，因為其具有高精度、大信息量、不受可見光幹擾的優勢。但我們可以注意到，目前主流的自動駕駛方案並未完全拋棄毫米波雷達，這又是什麼原因呢？z7tednc
首先就是大家都知道的天氣原因。雷射的波長遠小於毫米波雷達(nm vs mm)，所以霧霾導致雷射雷達失效並不是段子。同樣的原因，毫米波雷達的探測距離可以輕鬆超過200米，而雷射雷達目前的性能一般不超過150米，所以對於高速公路跟車這樣的情景，毫米波雷達能夠做的更好。z7tednc
其次，毫米波雷達便宜啊，作為成熟產品，毫米波雷達目前的價格大概在1.5千左右，而雷射雷達的價格目前仍然是以萬作為單位計算的。並且由於雷射雷達獲取的數據量遠超毫米波雷達，所以需要更高性能的處理器處理數據，更高性能的處理器同時也意味著更高的價格。所以對於工程師而言，在簡單場景中，毫米波雷達仍然是最優選擇。z7tednc
（來源：雷鋒網）z7tednc
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相關焦點
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毫米波雷達及其應用
但我們可以注意到,目前主流的自動駕駛方案並未完全拋棄毫米波雷達,這又是什麼原因呢?其次,由於雷射雷達在收發器和組裝工藝要求高,所以成本比較難降下來。而毫米波雷達因為它是矽基的晶片,沒有特別昂貴和複雜的工藝,所以毫米波雷達成本更具優勢。毫米波雷達目前的價格大概在1.5千左右,而雷射雷達的價格目前仍然是以萬作為單位計算的。並且由於雷射雷達獲取的數據量遠超毫米波雷達,所以需要更高性能的處理器處理數據,更高性能的處理器同時也意味著更高的價格。 -
淺析毫米波雷達的概念和工作原理
ADAS主要利用安裝在車上的各式各樣傳感器收集數據，在行駛過程中隨時感知周圍的環境，收集數據，進行靜態、動態物體的識別、偵測與追蹤，並結合導航儀地圖數據，進行系統的運算與分析，從而預先讓駕駛者察覺到可能發生的危險，有效增加汽車駕駛的舒適性和安全性。目前感知環境的ADAS傳感器有攝像頭、超聲波傳感器和毫米波雷達等。當然，自動駕駛汽車還需要車載雷射雷達。 -
毫米波雷達的工作原理及發展趨勢
汽車引入毫米波雷達最初主要是為了實現盲點監測和定距巡航，而隨著技術的發展這兩個特性也漸漸從高端車專用普及到了幾乎所有車型。毫米波實質上就是電磁波。毫米波的頻段比較特殊，其頻率高於無線電，低於可見光和紅外線，頻率大致範圍是10GHZ-200GHZ。 測距原理跟一般雷達一樣，即把無線電波發出去，然後接收回波，利用障礙物反射波的時間差確定障礙物距離，利用反射波的頻率偏移確定相對速度。 -
毫米波雷達進入成像時代,低線束雷射雷達危險了!
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毫米波FMCW雷達測距、測速原理、應用
毫米波FMCW雷達測距、測速原理、應用 微波射頻網 發表於 2020-04-06 14:46:00 毫米波 （millimeter wave ）波長為1～10毫米的電磁波稱毫米波 -
車載毫米波雷達的原理和應用技術
來源|牛喀網摘要：本文分析了車載毫米雷達市場應用情況；介紹了其工作原理以及工作波形和工作調頻機制。車載雷達應用市場潛能巨大，有效的保障了行車安全和操控的舒適度。引言毫米波雷達作為汽車主動安全領域關鍵傳感器部件，可有效穿透霧、煙、灰塵，實現全天時、全天候工作負荷要求。 -
毫米波雷達與雷射雷達兩種類別的雷達技術究竟有什麼區別?
毫米波雷達就是指工作頻段在毫米波頻段的雷達，測距原理跟一般雷達一樣，也就是把無線電波(雷達波)發出去，然後接收回波，根據收發之間的時間差測得目標的位置數據。毫米波雷達就是這個無線電波的頻率是毫米波頻段。 毫米波雷達具有探測性能穩定、作用距離較長、環境適用性好等特點。與超聲波雷達相比，毫米波雷達具有體積小、質量輕和空間解析度高的特點。 -
詳細了解毫米波雷達概念以及原理和產業研究
根據電磁波的傳播速度，可以確定目標的距離公式為：s=ct/2，其中s為目標距離，t為電磁波從雷達發射出去到接收到目標回波的時間，c為光速。毫米波雷達測速是基於都卜勒效應（Doppler Effect）原理。所謂都卜勒效應就是，當聲音、光和無線電波等振動源與觀測者以相對速度v運動時，觀測者所收到的振動頻率與振動源所發出的頻率有不同。因為這一現象是奧地利科學家都卜勒最早發現的，所以稱之為都卜勒效應。 -
毫米波雷達的原理和實現方式
打開APP 毫米波雷達的原理和實現方式 周碧俊 發表於 2018-07-22 12:17:00 （圖片來源：英飛凌半導體） 每個國家對從2．4GHz到200GHz這些頻段都有不同的定義，現在微波爐應用集中在是2．4GHz、5G部分有sub－4GHz、汽車是77GHz。 在工業和自動化領域，越來越多的新興應用採用毫米波解決方案進行感測，大多選用的是24GHz和60GHz，這個頻段已經被分配給工業領域免費使用，在各個不同的國家和法規上面屬於定義明確的頻段。 -
傲酷公司獨創的4D毫米波雷達性能媲美低線束雷射雷達
傳統毫米波雷達通過測量目標的距離和角度得出2D平面坐標以及速度，沒有高度坐標，因此可以簡單理解為平面雷達。一般應用情況下，做AEB、ACC等應用功能是夠用的。 但是做無人駕駛等應用時，視頻和雷射雷達都是對目標物體的3D立體坐標進行探測，而傳統毫米波雷達只能對物體的2D平面坐標探測，當做多傳感器數據融合時出現了其他傳感器是立體坐標，而毫米波是平面坐標的矛盾。這時標定和數據融合都比較難。 -
毫米波不簡單!毫米波雷達測方位原理+優勢
由式(2)(3)可知，毫米波雷達信號中頻頻率fb的確定是求出R、V的關鍵。fb的確定即是對發射和反射信號的頻差進行頻譜分析。信號的頻譜分析主要有FFT法和非FFT法。所謂FFT法，即是對被分析的信號進行傅立葉變換，將其從時域變到頻域，在頻域進行分析，必要時再通過傅立葉逆變換，變回時域的分析方法。而非FFT方法則是通過其他的途徑，獲得信號的頻率參數，如最大熵法、MUSIC法等。 -
【牛車實驗室】趣味解讀毫米波雷達/雷射雷達 自動駕駛的「電子眼」
目前來說汽車上常見的雷達有兩種，分別是毫米波雷達和雷射雷達。其工作原理是向目標發射探測雷射信號，然後將接收到的從目標反射回來的信號與發射信號進行比較，作適當處理後就可獲得目標的有關信息：如目標距離、方位、高度、速度、姿態、形狀等參數，從而對飛機、飛彈等目標進行探測、跟蹤和識別。整套系統由雷射發射機、光學接收機、轉臺和信息處理系統等組成，雷射器將電脈衝變成光脈衝發射出去，光接收機再把從目標反射回來的光脈衝還原成電脈衝，送到顯示器。 -
拆解毫米波雷達:與雷射雷達有哪些不同?
今天找一個MRR的77GHz的毫米波雷達做拆解分析，毫米波雷達工作原理是通過天線向外發射毫米波，並接收目標反射信號，通過對信號進行對比和處理，最終完成對目標的分類識別。 -
無人駕駛黑科技:毫米波雷達穿透力強,雷射雷達精度高
摘要： 傳統雷射雷達產品短期內還難以擺脫高成本的制約，這樣一來價格優勢更加明顯的固態雷射雷達和毫米波雷達，不僅可以在性能上實現互補，還可以大大降低使用成本，這樣一來或許可以為無人駕駛的開發提供一個新的選擇。 -
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就像人類的五官感覺一樣，通過將不同的傳感技術結合起來，可在將機器人系統部署到不斷變化、不受控制的環境中時取得最佳效果。互補金屬氧化物半導體(CMOS) 毫米波(mmWave) 雷達傳感器是機器人感知方面一項相對較新的技術。 -
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以往，大家對雷射雷達在車流統計中的應用並不廣泛熟識，我們可以通過一個實際案例來了解。，使之垂直向下探測，如圖1所示 當沒有車輛經過時，探測的是雷射雷達到地面的距離，假定為X 當有車輛經過雷射雷達下方時，探測的是雷射雷達到車輛頂部的距離，假定為Z X的值肯定比Z的值大，此時從數據上可以區分開是否有車輛經過，從而配合系統實現車流量的統計。 -
毫米波雷達結構_毫米波雷達結構原理圖詳解 - CSDN
雷達具備精確測量遠距離目標準確速度和空間信息的能力, 同時無懼惡劣光照和天氣的影響, 因此成為自動駕駛應用的重要傳感器. 目前大多數汽車都配備了用於自適應巡航控制ACC的雷達傳感器, 用來檢測車輛過近,保持距離和跟隨前車速度. 隨著自動駕駛級別的提高, 越來越多的雷達傳感器被使用. -
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一文了解汽車毫米波雷達工作原理與結構組成
，所以所基於可見光、紅外、或者雷射的方法一般不稱做雷達（雖然雷射的機理和雷達可能是類似的）。測距也簡單，可以基於TOF原理，但電磁波傳播速度是光速，所以對於近距離目標測距帶來了一定的挑戰。毫米波雷達作用距離都不太遠，比如汽車或者無人機應用，探測距離很近，回波和發射波間隔非常短，並不適合使用簡單的發射脈衝檢測回波時間差測距方式，所以現在主要採用FMCW（調頻連續波）測距方式較多。