一文讀懂毫米波雷達測方位原理及優勢

2020-11-22 電子發燒友

一文讀懂毫米波雷達測方位原理及優勢

發表於 2018-04-24 14:38:59

　　汽車毫米波雷達基本原理

　　毫米波是指波長在1-10mm的電磁波，其帶寬大，解析度高，天線部件尺寸小，能適應惡劣環境。車用毫米波雷達，通常採用結構簡單成本較低，適合近距離探測的FMCW（調頻連續波）雷達體制。雷達天線向外發出一系列連續調頻毫米波，頻率隨時間按調製電壓的規律變化，一般是連續的三角波，發射與接收信號如圖2所示。圖中實線是發射信號，虛線是相對靜止和相對運動物體的反射信號。反射與發射信號波形相同，只是差一個延時時間td。

　　td=2R/C（1）

　　式中，R為目標距離，c光速。

　　發射信號與反射信號在某一時刻的頻差即為混頻輸出的中頻頻率fb。相對運動物體反射信號由於都卜勒效應產生的頻移的原因。在三角波的上升沿與下降沿輸出的中頻頻率分別為fb+、fb-。以下公式成立：

　　從而得到目標車輛的距離R與相對運動速度v。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。綜合考慮方法的複雜性、實時性、穩定性，對汽車雷達而言，頻譜分析應首選FFT法，這種方法比較成熟、現容易、實時性強，適合於汽車運行狀況下信號的實時處理。

　　圖 2 FMCW發射及回波信號

　　汽車毫米波雷達結構

　　圖3為線性調頻雷達（LFCW）汽車毫米波雷達結構，包括天線、收發模塊、信號處理模塊和報警模塊。 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天線、線性VCO、放大器、平衡混頻器部分。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。

　　毫米波雷達測方位的原理

　　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。那麼它是如何計算被監測目標的位置、速度和方向的呢？

　　1、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×光速÷2，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。

　　2、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。

　　3、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？

　　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。

　　其次，毫米波雷達便宜，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。

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