雷達傳感器的一些基礎知識

2020-12-03 創想跟蹤

今天有幾種雷達被廣泛使用。車輛中使用的類型稱為調頻連續波FMCW。FMCW不會發出簡單的脈衝以反射從目標反射回來的信號,而是發出線性調頻脈衝,該脈衝的頻率在其工作期間會上升。傳播。從發射器發出的線性調頻脈衝的頻率與接收到的反射的頻率(在任意一次)之間的差與從發射器到物體的距離線性相關。

當前一代配備雷達的車輛通常具有一個前雷達,用於約150米範圍的自適應巡航控制。通常有第二個前置雷達,具有較寬的視野(FOV),用於緊急制動輔助。在後部,有兩個雷達,它們的探測距離可達80米,可以探測到汽車後方的車輛。

業內分析人士預計,未來所有這些雷達的射程都會增加,尤其是後部雷達的射程有望達到160 m。

如今,典型的車載雷達模塊包含五個主要功能模塊:天線、RF部分、高速數字接口、信號處理器和電源部分。

汽車系統有兩種類型的天線,垂直和水平極化,或者僅V和H。V是傳統類型。垂直極化的好處是雜波較少,但方位角(水平偏差角度)FOV有限,這是因為單元素貼片V輻射器的輻射方向圖較窄。類似地,水平極化需要更大的方位角FOV,但是在最終的目標圖案中會出現更多的波紋。

大多數雷達前端組件採用RF CMOS。通常的配置是將RF組件放在一塊PCB上,在另一塊PCB上進行信號處理。

在典型的汽車FMCW模塊中,本機振蕩器(LO)產生線性調頻連續波信號chirp,該信號被功率放大器放大並從天線發射出去。接收天線截取反射信號,然後將其放大並與LO信號混合。這種混合產生了本振和回波頻率之和及其差。過濾掉和,並將差值(拍頻或中頻IF)數位化。ADC的數位化輸出送至信號處理器,該處理器分析目標信號的結果。信號處理器通常包含兩個至六個內核,並包括用於FFT的專用硬體。

需要注意的一點是,與其他汽車子系統的接口往往是雷達系統的嚴重限制因素。要了解原因,請考慮一個雷達傳感器在10毫秒的測量時間內以20毫秒/秒的有效速率採樣,周期時間為50毫秒。如果ADC的採樣率為12位/秒,則快速計算得出每個測量值為1.2 MB,四個接收通道的數據速率為24 MB /秒。問題是當今最快的管道是高速乙太網。它的比特率是100 Mbit /秒或僅11.75 MB /秒。因此,如果與雷達傳感器一起使用,則高速乙太網連接將以12.25 MB /秒的速度備份傳感器數據。

如今,自動雷達通常使用頻率從77增加到77.8 GHz的線性調頻波形。發射和回波信號之間的瞬時頻率差與時間延遲成正比,時間延遲與範圍成正比。因此,IF信號的測量給出了範圍信息。數位化版本是計算範圍和確定目標的基礎。

當目標移動時,會出現複雜情況。由於都卜勒效應,反射波的頻率會發生變化,因此IF頻率不僅取決於範圍,而且取決於目標的相對速度。為了解決歧義,自動雷達通常使用其信號處理器將都卜勒頻率與範圍頻率分開。

通常的技術是發出幾個快速的rp聲,即a聲序列。生成的數據被放入通常表示為二維數組的數據矩陣中,每個收集到的線性調頻脈衝的檢測頻率顯示在單列中。

列的內容通常稱為「快速時間」,而行的內容稱為「慢時間」。線性調頻序列信號處理始於對快速時間條目執行的FFT,然後對慢時間數據執行FFT。沿著快速時間軸的FFT有效地提供了所謂的範圍壓縮,因為它將所有反射的能量壓縮到一個範圍內。類似地,沿著慢速時間軸的第二個FFT提供了速度壓縮。在只有一個目標的簡單情況下,在目標的範圍和速度上獲得一個峰。

二維FFT給出了一個或多個目標的速度和範圍。目標基本上是高於某個噪聲閾值的峰值。(設置此閾值本身就是一個處理問題。)但是汽車應用還需要根據雷達傳感器的角度位置來確定目標。為了測量該角位置,雷達採用了多個天線,通常在4到16個之間。在每個天線輸出上都會進行快速和慢速FFT。生成的數據通常可視化為具有X軸和Y軸的立方體,其中X軸和Y軸由快速和慢速數據組成,Z軸表示每個天線的數據。實際上,此立方體表示具有速度,距離和方位軸的3D地圖。

目標的角位置由相鄰雷達波束中接收信號的振幅比確定,通常稱為單脈衝技術。單脈衝技術沿略有不同的方向(或可能略有不同的相位)發出雷達信號。反射信號被分別放大並相互比較,從而指示哪個方向的返回強度更大,從而指示目標相對於雷達主軸線的大致方向。這種比較發生在一個脈衝期間,因此是單脈衝綽號。

單脈衝方法的好處是計算便宜-它可以輕鬆地在每個測量周期中跟蹤100個目標。一個缺點是相對粗糙的角解析度。因此,雷達系統信號處理器通常會對他們發現的每個回波進行快速測試,以決定是來自單個目標還是必須分離的多個目標。分離過程需要使用更複雜的算法,例如Bartlett或MVDR(最小方差無失真響應)波束成形。

天線的有效接收橫截面(孔徑)越大,分辨目標角度的能力就越大。這就是為什麼對車載雷達的MIMO(多進/多出)天線陣列領域產生濃厚興趣的原因。僅具有四個接收通道和三個發射通道的MIMO陣列可以合成12個虛擬接收天線的陣列,天線孔徑相應增加。

總而言之,汽車應用中的chi序列FMCW雷達通常可以在20至200 m的典型範圍內將目標範圍分辨為7至36。距離解析度反過來取決於線性調頻帶寬。帶寬可以是800 MHz,1 GHz或1.6 GHz。自動雷達通常可以將速度分辨在0.14至1.14 m / sec的範圍內。

最後要注意的一點是,情況因素會極大地影響雷達性能。一個典型的例子是應用於保險槓的金屬漆。油漆不僅覆蓋了保險槓,還覆蓋了用於停車的雷達天線。專家說,這種金屬漆會使雷達的探測範圍降低1.5到1.7。

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