汽車(chē)毫米波雷達(dá)基本原理

　　毫米波是指波長(zhǎng)在1-10mm的電磁波，其帶寬大，分辨率高，天線部件尺寸小，能適應(yīng)惡劣環(huán)境。車(chē)用毫米波雷達(dá)，通常采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本較低，適合近距離探測(cè)的FMCW（調(diào)頻連續(xù)波）雷達(dá)體制。雷達(dá)天線向外發(fā)出一系列連續(xù)調(diào)頻毫米波，頻率隨時(shí)間按調(diào)制電壓的規(guī)律變化，一般是連續(xù)的三角波，發(fā)射與接收信號(hào)如圖2所示。圖中實(shí)線是發(fā)射信號(hào)，虛線是相對(duì)靜止和相對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的反射信號(hào)。反射與發(fā)射信號(hào)波形相同，只是差一個(gè)延時(shí)時(shí)間td。

　　td=2R/C（1）

　　式中，R為目標(biāo)距離，c光速。

　　發(fā)射信號(hào)與反射信號(hào)在某一時(shí)刻的頻差即為混頻輸出的中頻頻率fb。相對(duì)運(yùn)動(dòng)物體反射信號(hào)由于多普勒效應(yīng)產(chǎn)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(biāo)車(chē)輛的距離R與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度v。由式（2）（3）可知，毫米波雷達(dá)信號(hào)中頻頻率fb的確定是求出R、V的關(guān)鍵。fb的確定即是對(duì)發(fā)射和反射信號(hào)的頻差進(jìn)行頻譜分析。信號(hào)的頻譜分析主要有FFT法和非FFT法。所謂FFT法，即是對(duì)被分析的信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，將其從時(shí)域變到頻域，在頻域進(jìn)行分析，必要時(shí)再通過(guò)傅里葉逆變換，變回時(shí)域的分析方法。而非FFT方法則是通過(guò)其他的途徑，獲得信號(hào)的頻率參數(shù)，如最大熵法、MUSIC法等。綜合考慮方法的復(fù)雜性、實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性，對(duì)汽車(chē)?yán)走_(dá)而言，頻譜分析應(yīng)首選FFT法，這種方法比較成熟、現(xiàn)容易、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，適合于汽車(chē)運(yùn)行狀況下信號(hào)的實(shí)時(shí)處理。

　　圖 2 FMCW發(fā)射及回波信號(hào)

　　汽車(chē)毫米波雷達(dá)結(jié)構(gòu)

　　圖3為線性調(diào)頻雷達(dá)（LFCW）汽車(chē)毫米波雷達(dá)結(jié)構(gòu)，包括天線、收發(fā)模塊、信號(hào)處理模塊和報(bào)警模塊。 射頻收發(fā)前端是雷達(dá)系統(tǒng)的核心部件。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)前端進(jìn)行了大量深入研究，并取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。已經(jīng)研制出各種結(jié)構(gòu)的前端，主要包括波導(dǎo)結(jié)構(gòu)前端，微帶結(jié)構(gòu)前端以及前端的單片集成。國(guó)內(nèi)研制的射頻前端主要是波導(dǎo)結(jié)構(gòu)前端。一個(gè)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(hào)經(jīng)過(guò)中頻放大送至后級(jí)數(shù)據(jù)處理部分。數(shù)據(jù)處理部分的基本目標(biāo)是消除不必要信號(hào)（如雜波）和干擾信號(hào)，并對(duì)經(jīng)過(guò)中頻放大的混頻信號(hào)進(jìn)行處理，從信號(hào)頻譜中提取目標(biāo)距離和速度等信息。

　　毫米波雷達(dá)測(cè)方位的原理

　　在汽車(chē)主動(dòng)安全領(lǐng)域，汽車(chē)毫米波雷達(dá)傳感器是核心部件之一，其中77GHZ毫米波雷達(dá)是智能汽車(chē)上必不可少的關(guān)鍵部件，是能夠在全天候場(chǎng)景下快速感知0-200米范圍內(nèi)周邊環(huán)境物體距離、速度、方位角等信息的傳感器件。那么它是如何計(jì)算被監(jiān)測(cè)目標(biāo)的位置、速度和方向的呢？

　　1、位置

　　毫米波雷達(dá)通過(guò)發(fā)射天線發(fā)出相應(yīng)波段的有指向性的毫米波，當(dāng)毫米波遇到障礙目標(biāo)后反射回來(lái)，通過(guò)接收天線接收反射回來(lái)的毫米波。根據(jù)毫米波的波段，通過(guò)公式計(jì)算毫米波在途中飛行的時(shí)間×光速÷2，再結(jié)合前車(chē)行駛速度和本車(chē)的行駛速度因素，就可以知道毫米波雷達(dá)（本車(chē)）和目標(biāo)之間的相對(duì)距離了，同時(shí)也就知道目標(biāo)的位置。

　　2、速度

　　此外，根據(jù)多普勒效應(yīng)，毫米波雷達(dá)的頻率變化、本車(chē)及跟蹤目標(biāo)的相對(duì)速度是緊密相關(guān)的，根據(jù)反射回來(lái)的毫米波頻率的變化，可以得知前方實(shí)時(shí)跟蹤的障礙物目標(biāo)和本車(chē)相比的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。因此，表現(xiàn)出來(lái)就是，傳感器發(fā)出安全距離報(bào)警時(shí)，若本車(chē)?yán)^續(xù)加速、或前監(jiān)測(cè)目標(biāo)減速、或前監(jiān)測(cè)目標(biāo)靜止的情況下，毫米波反射回波的頻率將會(huì)越來(lái)越高，反之則頻率越來(lái)越低。

　　3、方位角

　　關(guān)于被監(jiān)測(cè)目標(biāo)的方位角測(cè)量問(wèn)題，毫米雷達(dá)的探測(cè)原理是：通過(guò)毫米波雷達(dá)的發(fā)射天線發(fā)射出毫米波后，遇到被監(jiān)測(cè)物體，反射回來(lái)，通過(guò)毫米波雷達(dá)并列的接收天線，通過(guò)收到同一監(jiān)測(cè)目標(biāo)反射回來(lái)的毫米波的相位差，就可以計(jì)算出被監(jiān)測(cè)目標(biāo)的方位角了。原理圖如下：

　　方位角αAZ是通過(guò)毫米波雷達(dá)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(dá)天線所收到反射回波的相位差b，然后通過(guò)三角函數(shù)計(jì)算得到方位角αAZ的值，這樣就可以知道被監(jiān)測(cè)目標(biāo)的方位角了。

　　位置、速度和方位角監(jiān)測(cè)是毫米波雷達(dá)擅長(zhǎng)之處，再結(jié)合毫米波雷達(dá)較強(qiáng)的抗干擾能力，可以全天候全天時(shí)穩(wěn)定工作，因此毫米波雷達(dá)被選為汽車(chē)核心傳感技術(shù)。

　　毫米波雷達(dá)相比激光雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)

　　隨著自動(dòng)駕駛的火熱，激光雷達(dá)受到前所未有的追捧，因?yàn)槠渚哂?a target="_blank">高精度、大信息量、不受可見(jiàn)光干擾的優(yōu)勢(shì)。但我們可以注意到，目前主流的自動(dòng)駕駛方案并未完全拋棄毫米波雷達(dá)，這又是什么原因呢？

　　首先就是大家都知道的天氣原因。激光的波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于毫米波雷達(dá)（nm vs mm），所以霧霾導(dǎo)致激光雷達(dá)失效并不是段子。同樣的原因，毫米波雷達(dá)的探測(cè)距離可以輕松超過(guò)200米，而激光雷達(dá)目前的性能一般不超過(guò)150米，所以對(duì)于高速公路跟車(chē)這樣的情景，毫米波雷達(dá)能夠做的更好。

　　其次，毫米波雷達(dá)便宜，作為成熟產(chǎn)品，毫米波雷達(dá)目前的價(jià)格大概在1.5千左右，而激光雷達(dá)的價(jià)格目前仍然是以萬(wàn)作為單位計(jì)算的。并且由于激光雷達(dá)獲取的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)超毫米波雷達(dá)，所以需要更高性能的處理器處理數(shù)據(jù)，更高性能的處理器同時(shí)也意味著更高的價(jià)格。所以對(duì)于工程師而言，在簡(jiǎn)單場(chǎng)景中，毫米波雷達(dá)仍然是最優(yōu)選擇。