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，它位於微波與遠紅外波相交疊的波長範圍，因而兼有兩種波譜的特點。

　　它具有以下主要特點：

　　•極寬的帶寬：通常認為毫米波頻率範圍為26.5～300GHz，帶寬高達273.5GHz。超過從直流到微波全部帶寬的10倍。即使考慮大氣吸收，在大氣中傳播時只能使用四個主要窗口，但這四個窗口的總帶寬也可達135GHz，為微波以下各波段帶寬之和的5 倍。這在頻率資源緊張的今天無疑極具吸引力。

　　•波束窄：在相同天線尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多。例如一個 12cm的天線，在9.4GHz時波束寬度為18度，而94GHz時波速寬度僅1.8度。因此可以分辨相距更近的小目標或者更為清晰地觀察目標的細節。

　　•與雷射相比：毫米波的傳播受氣候的影響要小得多，可以認為具有全天候特性。

　　•和微波相比：毫米波元器件的尺寸要小得多。因此毫米波系統更容易小型化。

　　為此，它們在通信、雷達、制導、遙感技術、射電天文學和波譜學方面都有重大的意義。利用大氣窗口的毫米波頻率可實現大容量的衛星-地面通信或地面中繼通信。利用毫米波天線的窄波束和低旁瓣性能可實現低仰角精密跟蹤雷達和成像雷達。在遠程飛彈或太空飛行器重返大氣層時，需採用能順利穿透等離子體的毫米波實現通信和制導。高解析度的毫米波輻射計適用於氣象參數的遙感。用毫米波和亞毫米波的射電天文望遠鏡探測宇宙空間的輻射波譜可以推斷星際物質的成分。

　　毫米波雷達（Millimeter Wave Radar）的應用

　　表面上看來毫米波系統和微波系統的應用範圍大致是一樣的。但實際上兩者的性能有很大的差異，優缺點正好相反。因此毫米波系統經常和微波系統一起組成性能互補的系統。下面分述各種應用的進展情況。毫米波雷達的優點是角解析度高、頻帶寬因而有利於採用脈衝壓縮技術、都卜勒頗移大和系統的體積小。缺點是由於大氣吸收較大，當需要大作用距離時所需的發射功率及天線增益都比微波系統高。下面是一些典型的應用實例。

　　空間目標識別雷達：它們的特點是使用大型天線以得到成像所需的角解析度和足夠高的天線增益，使用大功率發射機以保證作用距離。例如一部工作於35GHz的空間目標識別雷達其天線直徑達36m。用行波管提供10kw的發射功率，可以拍攝遠在16，000km處的衛星的照片。一部工作於94GHz的空間目標識別雷達的天線直徑為13.5m。當用回波管提供20kw的發射功率時，可以對14400km遠處的目標進行高解析度攝像。

　　汽車防撞雷達： 因其作用距離不需要很遠，故發射機的輸出功率不需要很高，但要求有很高的距離解析度（達到米級），同時要能測速，且雷達的體積要儘可能小。所以採用以固態振蕩器作為發射機的毫米波脈衝都卜勒雷達。採用脈衝壓縮技術將脈寬壓縮到納秒級，大大提高了距離解析度。利用毫米波都卜勒頗移大的特點得到精確的速度值。

　　直升飛機防控雷達： 現代直升飛機的空難事故中，飛機與高壓架空電纜相撞造成的事故佔了相當高的比率。因此直升飛機防控雷達必須能發現線徑較細的高壓架空電纜，需要採用解析度較高的短波長雷達，實際多用3mm雷達。

　　精密跟蹤雷達： 實際的精密跟蹤雷達多是雙頻系統，即一部雷達可同時工作於微波頻段（作用距離遠而跟蹤精度較差）和毫米波頻段（跟蹤精度高而作用距離較短），兩者互補取得較好的效果。例如美國海軍研製的雙頻精密跟蹤雷達即有一部9GHz、300kw的發射機和一部35GHz、13kw的發射機及相應的接收系統，共用2.4m拋物面天線，已成功地跟蹤了距水面30m高的目標，作用距離可達27km。雙額還帶來了一個附加的好處：毫米波頻率可作為隱蔽頻率使用，提高雷達的抗幹擾能力。

　　汽車主動防碰撞的工作原理

　　汽車防碰撞系統對提高汽車行駛安全性十分重要，該系統的研究一直倍受重視。從1971年開始，相繼出現過超聲波、雷射、紅外、微波等多種方式的主動汽車防碰撞系統，但是以上系統均存在一些不足，未能在汽車上大量推廣應用。隨著各國高速公路網的快速發展，惡性交通事故不斷增加，為減少事故，先後採用行駛安全帶、安全氣囊等保護措施，但這些技術均為被動防護，不能從根本上解決問題。毫米波RF帶寬大，解析度高，天線部件尺寸小，能適應惡劣環境，所以毫米波雷達系統具有重量輕、體積小和全天候等特點，「主動汽車毫米波防碰撞雷達系統」成為近年來國際上研究與開發的熱點，並已有產品開始投入市場，前景十分看好。

　　

　　主動汽車防碰撞是以雷達測距、測速為基礎的。防撞雷達系統實時監測車輛的前方，當有危險目標（如行駛前方停止或慢行的車輛）出現，雷達系統提前向司機發出報警，使司機及時作出反應，同時雷達輸出信號到達汽車控制系統，根據情況進行自動剎車或減速。

　　毫米波防撞雷達系統有調頻連續波（FMCW）雷達和脈衝雷達兩種。對於脈衝雷達系統，當目標距離很近時，發射脈衝和接收脈衝之間的時間差非常小，這就要求系統採用高速信號處理技術，近距離脈衝雷達系統就變的十分複雜，成本也大幅上升。因而汽車毫米波雷達防撞系統常採用結構簡單、成本較低、適合做近距離探測的調頻連續波雷達體制。

　　射頻收發前端是雷達系統的核心部件。國內外已經對前端進行了大量深入研究，並取得了長足的進展。已經研製出各種結構的前端，主要包括波導結構前端，微帶結構前端以及前端的單片集成。國內研製的射頻前端主要是波導結構前端。一個典型的射頻前端主要包括線性VCO、環行器和平衡混頻器三部分。前端混頻輸出的中頻信號經過中頻放大送至後級數據處理部分。數據處理部分的基本目標是消除不必要信號（如雜波）和幹擾信號，並對經過中頻放大的混頻信號進行處理，從信號頻譜中提取目標距離和速度等信息。

　　毫米波FMCW雷達測距、測速原理

　　雷達系統通過天線向外發射一列連續調頻毫米波，並接收目標的反射信號。發射波的頻率隨時間按調製電壓的規律變化。一般調製信號為三角波信號。反射波與發射波的形狀相同，只是在時間上有一個延遲，發射信號與反射信號在某一時刻的頻率差即為混頻輸出的中頻信號頻率，且目標距離與前端輸出的中頻頻率成正比。如果反射信號來自一個相對運動的目標，則反射信號中包括一個由目標的相對運動所引起的多譜勒頻移。根據多譜勒原理就可以計算出目標距離和目標相對運動速度。

　　已開發的車用主動防碰撞毫米波雷達

　　博世最近發表了採用SiGe技術的毫米波雷達LRR（Long Range Rader）3。此次開發的毫米波雷達由77GHz頻帶的MMIC（Monolithic Microwave Integrated Circuits）晶片組、4根貼片天線以及專用ASIC構成。晶片組由發送和接收用的兩個晶片組成，兩晶片均使用了SiGe技術。毫米波雷達的可檢測距離為0.5m～250m。檢測角度範圍在30m遠處為30度。

　　博世表示通過採用SiGe技術，可以比以往採用的MMIC技術降低成本。將來有望在車輛上配備兩個毫米波雷達，並可追加功能。該公司在車輛前方配備了兩個毫米波雷達，並公布了車輛試驗結果——檢測角度範圍在30m遠處擴大到了60度。

　　與只配備一個毫米波雷達相比，配備兩個毫米波雷達提高了急轉彎時的檢測精度，可以更加準確地捕捉到前方車輛及路邊的護欄等。實車試驗中，在曲率半徑為35m的道路上也可準確地識別前方車輛。該公司表示，該裝備能夠提高低速追蹤的ACC（Adaptive Cruise Control System）的準確度等。另外，將來還可以增加各種功能，比如通過檢測路旁的護欄等來識別彎道的形狀，與車輛的橫擺力矩配合以防止側滑等。

　　日立製作所最近開發出兩種體積更小的車載毫米波雷達，使用76GHz頻帶，檢測距離最長達200m。

　　用於進行長距離檢測的（檢測範圍1m-127m）毫米波雷達，尺寸為橫100mm×縱80mm×厚30mm。與原來的機型相比，模塊的厚度和體積大約分別減至以來的1/3和1/4。另外，用於進行短距離檢測的毫米波雷達（檢測範圍0.1m—25m）主要通過改進天線，將檢測角度從長距離檢測雷達的±15度擴大到了±35度。

　　毫米波雷達主要由天線、高頻電路及信號處理部分組成。日立製作所為了減小毫米波雷達的厚度，改進了高頻電路及信號處理部分，通過將MMIC晶片封裝在多層印刷線路板上，減小了體積，與原來使用單層印刷線路板的雷達相比，大幅提高了高頻部件的封裝密度。在提高微處理器性能的同時，通過增加混載內存的存儲容量，將全部處理均集中在了1個微處理器上。由於減少了微處理器，所以信號處理部分生產的內部熱量也隨之減少，從而提高了部件的封裝密度，這也為信號處理部分的小型化做出了貢獻。

　　電裝宣布開發出了體積比原款減小一半、成本大幅削減的毫米波雷達。使用高性能信號處理技術，通過減少天線的接收信道數，實現了天線和收發元件的小型化。通過連接天線和收發元件，將傳送電波的導波管和收發天線融為一體，實現了產品的小型化和低成本化。

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