毫米波雷達結構_毫米波雷達結構原理圖詳解 - CSDN

Radar target generation and detection - Hardware

Github: https://github.com/williamhyin/SFND_Radar_Target_Detection

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知乎專欄: 自動駕駛全棧工程師

Why Radars?

自動駕駛的感知系統是由多個傳感器的輸入組成, 每個傳感器都有其自身的優缺點, 我們使用雷達來補償其他傳感器的缺點. 雷達最大的優點就是它可以直接測量徑向速度, 儘管雷射, 攝像頭等其他傳感器需要通過求導來計算速度, 雷達卻可以直接確定速度, 這也有助於區分靜止物體和運動物體. 另一個優點是雷達很少受到環境因素的影響, 可以在複雜光照, 雨雪等條件下全天候工作.

FMCW automotive radars

雷達早在20世紀30年代就已經投入使用, 當時它們主要被軍方用於探測飛機, 但自那以後, 雷達技術已經取得了長足的進步. 如今, 它們越來越多地被用作先進駕駛輔助系統(ADAS)中的汽車雷達傳感器. 下面的圖片顯示了雷達傳感器和其他一整套傳感器在整車中的使用情況:

整車傳感器配置(source : cdn.rohde-schwarz.com)

射頻技術和數位訊號處理技術的進步使得低成本、小尺寸、高效率的雷達成為可能.

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.

雷達傳感器發展趨勢

如下圖所示, 雷達利用電磁波的傳輸和探測進行工作:

電磁波遇到障礙物時會被反射. 如果這些反射波在它們的原點再次被接收, 那麼這意味著一個障礙物在傳播方向上. 用於雷達的電磁能量的頻率不受黑暗的影響, 也能穿透霧和雲層. 這使得雷達系統能夠確定由於距離、黑暗或天氣等原因肉眼看不見的道路目標的位置. 現代雷達可以從目標回波信號中提取比距離信號更多的信息.

雷達原理(source: electricalelibrary)

汽車使用的雷達不像軍事雷達體積那麼龐大, 是小型傳感器, 可以很容易地安裝在前格柵或保險槓下面. 如下圖所示, 一個雷達組件由不同部分組成.

博世汽車雷達

• 雷達天線罩: 雷達天線罩是一種結構性的、防風雨的外殼, 用來保護雷達天線. 天線罩的材料可以避免過多削弱發送的電磁波或天線接收到的電磁波, 對無線電波來說實際上是透明的.
• 雷達印刷電路板: 這是模擬硬體, 包括雷達收發信機和無線電波產生所需的天線.
• 印刷電路板和處理: 這包括數位訊號處理(DSP)單元

汽車領域的雷達應用在自動駕駛領域的毫米波雷達主要有3個頻段, 分別是24GHz, 77GHz和79GHz, 普遍分為長距雷達和短距雷達, 長距雷達可以測量遠達250m的物體, 但視野很小, 而短距雷達被設計為具有更大的視野, 但看不到遠處.

Radar vs Lidar

雷達與雷射雷達的比較[source: cleantechnica ]

Radar和Lidar的之爭是話題熱點, 但實際上, 這些傳感器是互補的. 雷射雷達能夠利用目標對雷射的反射產生高解析度成像. 能夠提供精確的形狀和位置信息, 但是雷射雷達在惡劣的天氣條件下無法工作, 因為很小的波長不允許在霧或雨中很好地工作. 此外, 雷射雷達是一種昂貴的傳感器, 成本從35,000美元到100,000美元不等, 截至2019年. 雷射雷達是 Waymo 的首選技術. 雷達不具備產生高解析度圖像的能力, 但是它具有基於都卜勒現象的高精度速度估計. 此外, 雷達波長允許它在惡劣的天氣條件下感知目標. 最重要的是低製造成本的雷達. 一個雷達單元的成本可以低至幾百美元, 這使得汽車製造商可以部署多個360度感知的雷達傳感器. 特斯拉依賴於雷達作為其主要傳感器, 並沒有包括雷射雷達在其傳感器融合系統. 也就是說有錢多多益善, 沒錢精挑細選.

Radar Properties

接下來你將看到看到信號特性的一般概述, 包括信號波長的定義和信號方程的一般形式

單波參數

**波長( lambda)**是從一個波的一點到下一個波的同一點的物理長度, 計算方法如下:
$\lambda =\frac{\text{ speed of light }}{\text{ frequency }}$λ= frequency  speed of light ​
**頻率(frequency)是每秒經過的波的數量, 以赫茲(GHz)為單位. 頻率越高, 波長越短. 汽車雷達一般工作在 w 波段(76GHz - 81GHz) . 這個頻率的信號稱為毫米波, 因為波長是毫米. 一個信號的帶寬(Bandwidth)**是連續頻帶中最高和最低頻率分量之間的差值.

**振幅(Amplitute)**是信號的強度. 它通常定義為射頻信號 / 電磁場的功率( dB/dBm), 與配置雷達輸出功率和感知接收信號相關. 雷達信號的幅度越大, 雷達的可見度越高. 汽車雷達可以工作在最大55dBm 輸出功率(316w).

​

信號的頻率

信號的振幅

信號的相位

**相位(Phase)**是波形周期中的一個特定時間點, 以角度為單位測量. 一個完整的循環周期是360°. 頻率也可以定義為相位相對於時間、頻率和信號相位的一階導數.
​frequency=dtdφ​φ=phase of the signal​
這一特性將用於測量運動目標的都卜勒頻移. 下圖為相位顯示圖.

正弦波相位

兩個周期性信號的相位差稱為相位差. 當差值為零時, 兩個信號稱處於同相位, 否則它們彼此處於同相位.

波的一般方程

$y(t)=A\cos (2\pi \cdot f_c\cdot t+\varphi )$y(t)=Acos(2π⋅fc​⋅t+ϕ)

• A 是信號的振幅
• f_c 是信號頻率
• ϕ 是信號的相位

FMCW

FMCW 調頻連續波雷達(Frequency-Modulated Continuous Wave radar)是一種發射連續傳輸能量的雷達傳感器. FMCW 雷達具有測量非常近目標的能力以及同時測量目標距離和相對速度的能力, 這使其成為汽車用雷達的首選類型.

FMCW波形

調頻連續波(FMCW)是一種頻率隨時間增減的信號. 如上圖所示, 它們也被稱為upramps和downramps. 調頻連續波雷達最常用的兩種波形方式是鋸齒波和三角波. 鋸齒波形一般只使用上行坡道, 而三角形波形使用上行坡道和下行坡道.

我們經常需要討論一個叫做啁啾(Chirp)的雷達信號, 它頻率隨時間增加或者減少, 頻率增加的叫做up-chrip,頻率下降的叫做down-chrip. 很多雷達使用重複的啁啾信號來計算距離和速度.啁啾的斜率有頻率帶寬B_sweep(y軸)和線性調頻時間T_s(x軸)決定.
$\text{Slope}=\frac{B}{T_s}$Slope=Ts​B​
雷達的距離解析度取決於B, 而最大的速度能力取決於T_s.

一個啁啾序列包括很多個chrip, 為了精確測量都卜勒速度, 對每個啁啾進行多次採樣以進行多次距離測量, 並由雷達進行傳輸.

FMCW硬體概述

FMCW 雷達的硬體實現

• 頻率合成器: 在汽車雷達中, 頻率合成器是產生頻率使線性調頻頻率一直達到77ghz 的元件.

• 天線: 天線將電能轉換成電磁波, 電磁波在空中輻射, 擊中目標, 然後反射回雷達接收天線. 天線通過將能量聚焦在所需方向來增加信號的強度. 此外, 天線方向圖決定了雷達的視場.

• 混頻器: 在 FMCW 雷達中, 混頻器混頻器將回波信號與頻率合成器產生的掃頻信號相減, 獲得頻率Delta-也稱為頻移或中頻信號(IF).

  IF = Synthesizer Frequency - Return Signal Frequency

• 處理器: 處理器是所有數位訊號處理、檢測、跟蹤、聚類和其他算法發生的處理單元. 該單元可以是一個微控制器, 甚至是一個 FPGA.

天線方向圖

天線方向圖

天線方向圖是天線發射的相對場強的幾何方向圖. 天線的波束寬度決定了雷達傳感器的視場. 如果對雷達的要求僅僅是探測自己車道上的目標, 那麼波束寬度必須足夠小, 以覆蓋整個車道達到預期的範圍. 如果波束寬度大於車道寬度, 它也能感知其他車道的目標. 天線輻射不僅包括主波束, 還包括副瓣. 天線旁瓣非常關鍵, 因為它們可能會產生錯誤警報, 並從不希望的方向挑選幹擾. 如圖所示, 天線的旁瓣指向不同的方向, 可以感知不在主波束內的目標. 為了避免旁瓣檢測, 必須將旁瓣電平從主波束的峰值壓制到30dB 以上.

天線類型

在77GHz上最常用的汽車雷達天線類型是貼片天線. 貼片陣列天線具有成本低、製造簡單、低剖面等優點, 是汽車雷達應用的理想選擇.

貼片陣列天線

Radar Cross Section Overview

一個目標反射雷達能量的大小和能力由一個單項定義, 稱為 sigma, 它的單位是 m ^ 2平方米, 被稱為雷達截面積. 這個單位顯示了雷達散射截面是一個區域. 目標雷達截面面積取決於:

• 目標的物理幾何形狀和外部特徵

  光滑的邊緣或表面會使波向各個方向散射, 從而降低雷達散射截面. 然而, 銳角會使回波信號聚焦到源頭的方向上, 從而導致較高的 RCS.

• 雷達照射的方向

• 雷達發射器的頻率

• 用於汽車、卡車、自行車的材料, 有時甚至用於行人的服裝材料

目標車輛的RCS

RCS單位轉換

RCS 也可以使用對數值(dB)定義, 以下為轉換方式.
$RC{S}_{dB}=10\log \left(RC{S}_{m^2}\right)$RCSdB​=10log(RCSm2​)
不同目標具有不同的RCS, 我們可以對其進行轉換.

Radar Range Equation

利用雷達作用距離方程可以設計出滿足作用距離要求的雷達發射器、接收器和天線, 使其具有理想的功率、增益和噪聲性能.
$R=\sqrt[4]{\frac{P_S\cdot G^2\cdot {\lambda }^2\cdot \sigma }{P_E\cdot (4\pi {)}^3}}$R=4PE​⋅(4π)3PS​⋅G2⋅λ2⋅σ​​

• R - 雷達探測目標的最大距離
• P_s - 雷達發射功率(dBm)
• G - 發射 / 接收天線(dBi)的增益
• λ - 信號的波長(m)
• σ - 雷達截面(m^2)
• P_E - 雷達可以探測到的最小功率

下圖為整個雷達探測中, 雷達信號強度水平的變化

• 發射器功率
• 功率放大器進一步提高了信號強度——發射鏈增益
• 使用天線進一步放大信號
• 單向路徑損耗表示當信號向目標移動時信號強度的損失
• 當目標反射時, 信號基於目標的 RCS 被放大
• 當 RCS 增益後, 信號回傳到雷達, 並且在強度上與前進時有相似的損失
• 接收器天線在將回傳信號發送到處理單元之前對其進行放大

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