毫米波雷達及其應用

所謂的毫米波是無線電波中的一段,我們把波長為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。毫米波的理論和技術分別是微波向高頻的延伸和光波向低頻的發展。

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所謂的毫米波雷達,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。

由於毫米波的波長介於釐米波和光波之間,因此毫米波兼有微波制導和光電制導的優點。同釐米波導引頭相比,毫米波導引頭具有體積小、質量輕和空間解析度高的特點。與紅外、雷射、電視等光學導引頭相比,毫米波導引頭穿透霧、煙、灰塵的能力強,具有全天候(大雨天除外)全天時的特點。另外,毫米波導引頭的抗幹擾、反隱身能力也優於其他微波導引頭。

毫米波雷達是測量被測物體相對距離、現對速度、方位的高精度傳感器,早期被應用於軍事領域,隨著雷達技術的發展與進步,毫米波雷達傳感器開始應用於汽車電子、無人機、智能交通等多個領域。

毫米波雷達的特性

1、頻帶極寬,在目前所利用的35G、94G這兩個大氣窗口中可利用帶寬分別為16G和23G,適用與各種寬帶信號處理;

2、可以在小的天線孔徑下得到窄波束,方向性好,有極高的空間分辨力,跟蹤精度高;

3、有較高的都卜勒帶寬,都卜勒效應明顯,具有良好的都卜勒分辨力,測速精度較高;

4、地面雜波和多徑效應影響小,跟蹤性能好;

5、毫米波散射特性對目標形狀的細節敏感,因而,可提高多目標分辨和對目標識別的能力與成像質量;

6、由於毫米波雷達以窄波束髮射,具有低被截獲性能,抗電子幹擾性能好;

7、毫米波雷達具有一定的反隱身功能。

8、毫米波具有穿透煙、灰塵和霧的能力,可全天候工作。

毫米波雷達測距的優勢

精度高抗幹擾

同微波導引頭相比,毫米波導引頭具有體積小、質量輕和空間解析度高的特點。在天線口徑相同的情況下,毫米波雷達有更窄的波束(一般為毫弧度量級),可提高雷達的角分辨能力和測角精度,並且有利於抗電子幹擾、雜波幹擾和多徑反射幹擾等。

全天候全天時

與紅外、視頻、雷射等光學導引頭相比,毫米波導引頭穿透霧、煙、灰塵的能力強,具有全天候全天時的特點。

高分辨多目標

由於工作頻率高,可能得到大的信號帶寬(如吉赫量級)和都卜勒頻移,有利於提高距離和速度的測量精度和分辨能力並能分析目標細節特徵。同時毫米波雷達能分辨識別很小的目標,並且能同時識別多個目標,因此具有很強的空間分辨和成像能力。

敏感高誤報低

系統敏感性高,錯誤誤報率低,不易受外界電磁噪聲的幹擾。

高頻率低功率

具有更高的發射頻率,更低的發射功率。

可測速可測距

採用FMCW調頻連續波,能同時測出多個目標的距離和速度,並可對目標連續跟蹤,甚至到靜止目標也可保持跟蹤不丟失。

距離遠實時性高

測量距離遠,達到雙向12車道200米遠,同時38Hz 26ms的檢測頻率具有極強的實時性。

毫米波雷達的工作原理

以車載毫米波雷達為例,雷達通過天線向外發射毫米波,接收目標反射信號,經後方處理後快速準確地獲取汽車車身周圍的物理環境信息(如汽車與其他物體之間的相對距離、相對速度、角度、運動方向等),然後根據所探知的物體信息進行目標追蹤和識別分類,進而結合車身動態信息進行數據融合,最終通過中央處理單元(ECU)進行智能處理。經合理決策後,以聲、光及觸覺等多種方式告知或警告駕駛員,或及時對汽車做出主動幹預,從而保證駕駛過程的安全性和舒適性,減少事故發生機率。

在汽車主動安全領域,汽車毫米波雷達傳感器是核心部件之一,其中77GHZ毫米波雷達是智能汽車上必不可少的關鍵部件,是能夠在全天候場景下快速感知0-200米範圍內周邊環境物體距離、速度、方位角等信息的傳感器件。

位置

毫米波雷達通過發射天線發出相應波段的有指向性的毫米波,當毫米波遇到障礙目標後反射回來,通過接收天線接收反射回來的毫米波。根據毫米波的波段,通過公式計算毫米波在途中飛行的時間,再結合前車行駛速度和本車的行駛速度因素,就可以知道毫米波雷達(本車)和目標之間的相對距離了,同時也就知道目標的位置。

速度

此外,根據都卜勒效應,毫米波雷達的頻率變化、本車及跟蹤目標的相對速度是緊密相關的,根據反射回來的毫米波頻率的變化,可以得知前方實時跟蹤的障礙物目標和本車相比的相對運動速度。因此,表現出來就是,傳感器發出安全距離報警時,若本車繼續加速、或前監測目標減速、或前監測目標靜止的情況下,毫米波反射回波的頻率將會越來越高,反之則頻率越來越低。

方位角

關於被監測目標的方位角測量問題,毫米雷達的探測原理是:通過毫米波雷達的發射天線發射出毫米波後,遇到被監測物體,反射回來,通過毫米波雷達並列的接收天線,通過收到同一監測目標反射回來的毫米波的相位差,就可以計算出被監測目標的方位角了。原理圖如下:

方位角αAZ是通過毫米波雷達接收天線RX1和接收天線RX2之間的幾何距離d,以及兩根毫米波雷達天線所收到反射回波的相位差b,然後通過三角函數計算得到方位角αAZ的值,這樣就可以知道被監測目標的方位角了。

位置、速度和方位角監測是毫米波雷達擅長之處,再結合毫米波雷達較強的抗幹擾能力,可以全天候全天時穩定工作,因此毫米波雷達被選為汽車核心傳感技術。

毫米波雷達與雷射雷達

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?

相比起雷射雷達,毫米波雷達的探測距離可以輕鬆超過200米,而雷射雷達一般不到150米。在高速行駛的場景裡,毫米波雷達更適合。

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。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。

但是,毫米波雷達的缺點也十分直觀,探測距離受到頻段損耗的直接制約,無法感知行人,並且對周邊所有障礙物無法進行精準的建模。而對於毫米波雷達的市場前景,一輛車上會搭載3-8顆毫米波雷達,目前奔馳的高端車上也已經安裝了7顆。未來幾年,車載毫米波雷達的市場規模將不容小覷。

雷射雷達目前還有一個非常重要的技術是固態雷射雷達,它實際上與傳統雷達、毫米波雷達是一脈相承的,固態雷射雷達實質上就是調整每個發射和接收單元的相位,毫米波雷達也是同樣的原理,只不過毫米波雷達是對電磁波進行操作,器件的實現難度要比對光的頻段上進行相位的改變的難度低很多。未來,固態雷射雷達與毫米波雷達相結合或許是個不錯的選擇。

總之,毫米波雷達是很難被取代的傳感器,雖有不足之處,但全天候的工作狀態是最大優勢。其測速、測距的精度要遠高於視覺傳感器,與雷射雷達相比,穿透力會更好。但是整體來講,這並不衝突,因為未來會走向融合的趨勢,特別是針對自動駕駛駕駛,毋庸置疑三大傳感器會相互融合。

毫米波雷達的主要應用分類

1、制導雷達、火控雷達,該類型雷達目前有一些選擇在毫米波波段的主要原因是提高探測能力、減小雷達體積,降低重量和體積,便於集成。

2、目標檢測雷達,該類型雷達主要是通過機械/電子波束掃描,實現對觀測區域目標距離、速度和角度的探測,配備相應的數據處理單元,可以實現對目標的識別(散射特性)、跟蹤和預測(kalman濾波、粒子濾波等)。

3、毫米波對地觀測雷達,該類型雷達主要是毫米波合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar, SAR),該類型雷達主要實現對地成像觀測,獲取地面區域的SAR圖像。

4、毫米波近距探測雷達,該類型雷達主要實現2米以內目標的二維或三維成像檢測,目前該類型系統的波段在30~37.5 GHz,以及94~200 GHz或者THz波段都有。比如目前美國機場的人體安檢三維掃描雷達,通過毫米波代替X光等實現對人體衣服內、皮膚外之間目標的檢測成像,來加強安保;還有通過35GHz波段雷達或者94GHz以及THz波段雷達實現對一些特殊材料的無損三維檢測等。

5、汽車雷達,在汽車上安裝雷達傳感器,實現汽車的防撞、自動泊車、行人檢測等,目前主流的汽車雷達為24GHz雷達,但是受限於頻段管制、射電天文5Km不允許該波段雷達使用以及自身體積大(主要是天線體積大)等原因,目前77GHz的汽車雷達正在逐步產品化並裝備一些高端汽車,77GHz汽車雷達的主要優點是分配的頻段更寬,距離解析度更高,體積相比24GHz雷達小,目標探測能力強,但是77GHz雷達的生產加工工藝要求更高,不過目前來看,這個問題已經不是行業壁壘。

毫米波雷達在軍事上的典型應用

「長弓」「發射後不管」反坦克系統是美國陸軍20世紀80~90年代主要武器系統發展計劃之一,裝在波音公司製造的AH-64D攻擊直升機上,目的是使AH-64D在雨、霧、煙、塵等惡劣氣候和低能見度條件下,不分晝夜均具有高精度探測、分類和作戰的能力。軍方對系統的雷達和飛彈尋的器都要求重量輕、體積小、解析度高、全天候工作,因此只能選擇毫米波頻段。

1992年,美國陸軍決定開發一種新型的配備毫米波主動雷達尋的器的「地獄火」飛彈,後來稱作「長弓地獄火」飛彈,代號為AGM-114L,用於「長弓阿帕奇」武器系統,用來打擊地面坦克裝甲部隊等。「長弓地獄火」飛彈的毫米波導引頭工作頻率為94 GHz,作用距離為12~16 km,對於近程目標或動目標,AGM-114L毫米波尋的器能利用APG-78雷達或直升機目標捕獲與標定瞄準具(TADS)送來的數據在發射前鎖定目標;而在打擊遠程固定目標時,則對準目標方向發射飛彈,並在毫米波尋的器鎖定目標進行末制導(最終瞄準)前,利用慣性導航系統對飛彈進行控制。

毫米波雷達在無人機領域的應用

毫米波雷達在軍事有人機、無人機早已大規模應用。其在無人機的第一個應用,也是目前市場最大的,是植保無人機的定高應用。

我們知道gps和氣壓計測的是海拔高度,而植保時,我們希望無人機在作物上方固定的高度飛行,無論地面和植被是否起伏。這個也叫仿地飛行。這種應用有很多的解決方案,比如我們說的超聲、雷射、紅外、雙目等等。但是由於植保環境大多很差,有很大的灰塵,還有水霧,那麼超聲和基於光學的都會受到很大幹擾。

目前來看,基於毫米波雷達的高度計,表現是最穩定的,首先他能穿透塵埃水霧,另外也基本不受什麼幹擾。基于波束,而不是點反射,高度恰恰反映植被葉片高度。

無人機方面第二個應用就是避障。這個同樣是一個多種傳感器爭奪的戰場。但是我們講毫米波雷達有不受光線影響、作用距離有非常大、可靠等優勢,而這些優勢在軍事有人機、汽車、無人機方面都被證明。

當然,毫米波雷達的分辨力相對較低。但是由於陣列天線的優勢,其實這個是可以有很大提高的。所以說毫米波雷達有很大的調整空間,比如波束寬度、作用距離、價格等。毫米波雷達在無人機測高、避障上優勢很明顯,但也有需要光學來補充的地方。

毫米波雷達在自動駕駛功能上的應用

自動駕駛採用的傳感器主要有攝像頭、毫米波雷達、雷射、超聲波、紅外等。毫米波雷達傳輸距離遠,在傳輸窗口內大氣衰減和損耗低,穿透性強,可以滿足車輛對全天氣候的適應性的要求,並且毫米波本身的特性,決定了毫米波雷達傳感器器件尺寸小、重量輕等特性。很好的彌補了攝像頭、雷射、超聲波、紅外等其他傳感器,在車載應用中所不具備的使用場景。

把毫米波雷達安裝在汽車上,可以測量從雷達到被測物體之間的距離、角度和相對速度等。利用毫米波雷達可以實現自適應巡航控制(AdaptiveCruiseControl),前向防撞報警(ForwardCollisionWarning),盲點檢測(BlindSpotDetection),輔助停車(Parkingaid),輔助變道(Lanechangeassistant),自主巡航控制(ACC)等高級駕駛輔助系統(ADAS)功能。比較常見的汽車毫米波雷達工作頻率在24GHz和77GH附近。24GHz雷達系統主要實現近距離探測(SRR),而77GHz系統主要實現遠距離的探測(LRR)。

目前,毫米波雷達主要為24GHz和77GHz。24GHz的雷達測量距離較短(5～30m),主要應用於汽車後方;77GHz的雷達測量距離較長(30～70m),主要應用於汽車前方和兩側。毫米波雷達主要包括雷達射頻前端、信號處理系統、後端算法三部分。在現有的產品中,雷達後端算法的專利授權費用約佔成本的50%,射頻前端約佔成本的40%,信號處理系統約佔成本的10%。

1、射頻前端:射頻前端通過發射和接收毫米波,得到中頻信號,從中提取距離、速度等信息。因此,射頻前端直接決定了雷達系統的性能。當前毫米波雷達射頻前端主要為平面集成電路,有混合微波集成電路(HMIC)和單片微波集成電路(MMIC)兩種形式。其中,MMIC形式的射頻前端成本低,成品率高,適合於大規模生產。在生產工藝上,一般採用的是外延MESFET、HEMT和HBT等器件工藝。其中,GaAs基的HEMT工藝最為成熟,具有優秀的噪聲性能。

2、信號處理系統:信號處理系統也是雷達重要的組成部分,通過嵌入不同的信號處理算法,提取從射頻前端採集得到的中頻信號,獲得特定類型的目標信息。信號處理系統一般以DSP為核心,實現複雜的數位訊號處理算法,滿足雷達的實時性需求。

3、後端算法:後端算法佔整個毫米波雷達成本的比例最高。針對毫米波雷達,國內研究人員從頻域、時域、時頻分析多個角度提出了大量的算法,離線實驗的精度也較高。但是,國內的雷達產品主要採用基於頻域的快速傅立葉變換及其改進算法進行分析,測量精度和適用範圍有一定局限性而國外算法受專利嚴格保護,價格非常昂貴。

毫米波雷達在智能交通管理系統領域的應用

4D毫米波可視雷達是專門為智能交通系統設計的多車道多目標跟蹤4D視頻雷達,它採用世界首創的智能三維立體空間毫米波檢測技術,可提供精確的X、Y、Z三維坐標和一維速度的4D多目標實時跟蹤軌跡信息,確保精確檢測和統計每一輛行駛車輛的各種信息。

該雷達擁有完全自主智慧財產權的新型毫米波車輛檢測器,利用調頻連續波和都卜勒技術原理,對路面發射毫米波,通過對回波信號進行高速實時的數位化處理分析,檢測單車速度、平均速度、車流量、車道佔有率、車型、排隊長度和事件分析等交通流基本信息的非接觸式交通檢測器。

4D毫米波可視雷達系列集成高清視頻攝像機,可同時監控4-12個車道並提供128 個目標的高解析度四維雷達軌跡信息並同步疊加顯示在視頻上。4D毫米波可視雷達的四維識別技術使得它能夠精確測速並跟蹤目標軌跡,即使在大流量或者擁堵緩行的路段,也能提供非常準確的數據。

測速雷達

專門為測速設計的多車道多目標跟蹤雷達,可以正裝或者斜裝,提供精確的車輛速度及定位信息,確保捕獲檢測路段的每一輛超速汽車。一臺雷達加上一臺高清攝像機,即可實現多車道多目標測速,同時實現每輛汽車的車牌識別和區分測速並直接疊加在車輛上,準確可靠,捕獲率高,降低成本,安裝簡便。避免了單車道測速雷達的幹擾和一張圖片上有多輛車汽車不能使用的問題。

電子卡口雷達

專門為電子卡口設計的多車道多目標跟蹤雷達,可自動檢測跟蹤區域內的車輛,當車輛滿足設定的觸發條件時,輸出信號觸發高清攝像機抓拍取證,構成卡口系統前端採集單元。

具有多目標識別跟蹤能力,在卡口系統中按車道提供指定位置的觸發信號和精確的車輛速度,還可以按周期提供車流量、平均速度、佔有率等交通信息,雷達對採集完成的數據進行統計後,直接輸出給用戶,不需要另外配電腦進行計算與統計。

電子警察雷達

專門為電子警察設計的多車道多目標跟蹤雷達,可提供精確的車輛信息及視頻監控,確保捕獲檢測路段的每一輛違章車輛,它無需破壞道路,不受光線和天氣變化影響,可取代線圈、地磁和視頻檢測,同時檢測4-12個車道128個車輛目標的超速、逆行、變道、違停、事故等情況。

流量檢測雷達

專門為電子警察設計的多車道多目標跟蹤雷達,可提供精確的180米範圍內車流量、平均速度、車道佔有率等統計信息,流量精度≥99%,車道佔有率精度≥99%,平均速度精度≥99%,提供實時路況照片或視頻,用以掌握和驗證現場情況,提供30ms檢測更新和RJ45、485兩種信號輸出。

智能路口雷達

智能路口雷達可同時檢測多個車道的排隊起始位置、排隊長度、排隊車輛數、實時平均車速等排隊信息,以及四個以上斷面每輛車的車速、車型、車道號、佔有時間等過車信息。可優化十字路口紅綠燈的配時方案。無線組網,安裝簡便。

路內停車管理系統

毫米波雷達雷達加上一臺高清球形攝像機,即可實現多車道多目標車輛跟蹤,一旦檢測到車輛停到或車位上,即可將坐標發給球機,由球機完成車牌識別,然後完成計費處理流程,準確可靠,降低成本,安裝簡便。

收費站排隊長度檢測系統

隨著機動車數量的快速增多,收費站面臨不同程度的擁堵,特別是重大節假日、旅遊季節,高速公路收費站擁堵情況更為突出,嚴重影響了公眾的順暢出行,也給收費管理造成了影響。為了應對收費站交通擁堵狀況,亟需通過智能化的科技手段提高管理和服務水平,建立一套自動檢測機制以判斷收費站的擁堵狀態,一方面為管理部門提供直觀便捷的收費站交通狀態信息服務,為路網輔助管理做出合理決策,另一方面為廣大出行群眾提供比較準確的信息,利用高速公路路網管理、交通誘導發布、綜合信息發布及信息查詢等提供行駛決策依據和幫助。採用毫米波多目標跟蹤三維空間檢測技術實現的排隊預警系統檢測精確、安裝方便,同時不受天氣、光線、環境氣候變化的影響。