1、簡介

毫米波雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是角分辨率高、頻帶寬因而有利于采用脈沖壓縮技術(shù)、多普勒頗移大和系統(tǒng)的體積小。目前筆者接觸到的有24G毫米波雷達(dá)和77G毫米波雷達(dá)。
24G毫米波雷達(dá)主要應(yīng)用在交通領(lǐng)域的測距和車輛測速，在其他領(lǐng)域也有使用24G毫米波雷達(dá)。
77G毫米波雷達(dá)主要應(yīng)用在無人駕駛，汽車周圍的目標(biāo)檢測等領(lǐng)域。

在首次接觸雷達(dá)時，一頭霧水。搞不清一個chirp的時域圖和頻域圖的關(guān)系、中頻信號以及其他名詞的基本概念。在TI培訓(xùn)官網(wǎng)上看到一些毫米波雷達(dá)原理的視頻才豁然開朗。TI培訓(xùn)官網(wǎng)毫米波傳感介紹

本文主要是通俗易通的講解筆者理解的FMCW毫米波雷達(dá)。在學(xué)習(xí)之前我們想想一下幾個問題：

1. 雷達(dá)如何檢測目標(biāo)距離的？
2. 如果存在多個目標(biāo)如何處理？
3. 雷達(dá)檢測目標(biāo)的最小距離是多少？
4. 什么因素決定了雷達(dá)的最大檢測距離？

2、FMCW毫米波雷達(dá)的基本理解（單目標(biāo)）

為了方便對FMCW毫米波雷達(dá)工作原理的基本理解，本節(jié)采用單目標(biāo)進(jìn)行理論分析。

2.1、什么是一個chirp？

FMCW雷達(dá)發(fā)射的一個信號稱為chirp。一個chirp是正弦曲線，其頻率隨時間線性增加。
幅度與時間的關(guān)系和頻率與時間的關(guān)系如下圖：

A-t和f-t

1. 通常我們使用頻率和時間的關(guān)系圖（f-t圖）來討論一個chirp ；
2. 一個chirp的特征包含起始頻率（fc），帶寬（B）和持續(xù)時間（Tc）；
3. chirp的斜率定義了帶寬上升的速率。在此示例中，線性調(diào)頻脈沖在40us內(nèi)掃描4GHz的帶寬，這對應(yīng)100MHz/us的斜率。

2.2、雷達(dá)工作的基本流程（中頻信號的由來）

以一發(fā)一收的雷達(dá)為例，如下圖：

1T1R

• 混頻器①生成一個chirp；
• 發(fā)送天線TX②將一個chirp發(fā)送出去；
• 當(dāng)chirp接觸到目標(biāo)后，反射回來到接收天線RX上；
• 將RX信號和TX信號進(jìn)行“ 混合 ”得到中頻信號（IF）。

什么是 混合 ？
一個混合器具有2個輸入和1個輸出的3個端口設(shè)備。如圖：

混合器

出于我們的目的，可以對混合器進(jìn)行如下建模。

1. 在兩個輸入端口上輸入的兩個正弦曲線x1和x2；
   
2. 輸出是具有以下條件的正弦曲線：
   特點(diǎn)：
   （1）、瞬時頻率等于兩個輸入正弦波的瞬時頻率之差；
   （2）、相位等于兩個輸入正弦波的相位差

2.2、中頻信號（IF）的理解

使用f-t圖理解中頻信號，如下圖：

中頻信號

說明：

1. 上圖反應(yīng)了從目標(biāo)反射的TX信號和RX信號的時頻關(guān)系。請注意，RX信號只是TX信號的延遲版本。
   （1）、τ表示雷達(dá)與物體之間的往返時間。
   （2）、S表示chirp的斜率。
2. 混頻器輸出的中頻信號的頻率是TX-chirp和RX-chirp瞬時頻率之差。如上圖所示這是一條直線。
3. 因此，雷達(dá)前的單個目標(biāo)物體會產(chǎn)生一個恒定頻率的IF信號。這個頻率Sτ，其中τ = 2d/c。因此：
   其中，d是物體的距離，c是光速。

注意：τ通常只占總線性調(diào)頻時間的一小部分=> TX線性調(diào)頻的非重疊部分通?？梢院雎圆挥?。
例如。對于最大距離為300m且Tc = 40us的雷達(dá)。τ/ Tc = 5％

因此，通過對中頻信號IF做FFT變換，找出功率最大的頻率即可。但是在實(shí)際使用中雷達(dá)前方不可能僅僅只有一個目標(biāo)，因此，存在多目標(biāo)的情況如何處理？

3、多目標(biāo)距離分析

由第二節(jié)可知，單目標(biāo)對應(yīng)一個RX，則多目標(biāo)會存在多個RX，如下圖：

多目標(biāo)

中頻信號的頻譜將顯示多個峰值，每個峰值的頻率與雷達(dá)上每個物體的距離成比例，如下圖：

多目標(biāo)頻譜圖

因此，多目標(biāo)也是比較容易理解的。重點(diǎn)來了，如果兩個目標(biāo)相距比較近，導(dǎo)致兩個目標(biāo)在頻譜圖中僅顯示一個峰值怎么解決？

3.1、多目標(biāo)的距離分辨率問題

雷達(dá)的距離分辨率可以間接表示探測目標(biāo)之間的最小距離。小于這個最小距離，在算法分析中便認(rèn)為是單個目標(biāo)。
兩個距離相近的目標(biāo)的圖像如下：

相近目標(biāo)時頻和時幅圖

頻譜圖

在算法分析中是不能分辨這兩個目標(biāo)的，如何解決呢？

可以通過增加中頻信號IF的長度來解決這個問題。如下圖：

增加IF長度

頻譜

從圖中可以看出增加一個chirp的發(fā)射周期，即增加中頻信號的長度，但是相應(yīng)的帶寬從B增加到2B。
因此，增加中頻信號的長度，會成比例的增加帶寬。即： 更大的帶寬等于更好的分辨率 。

3.2、距離分辨率的推導(dǎo)

回顧一下之前的內(nèi)容：

1. 距離為d的物體會產(chǎn)生S2d / c頻率的IF峰值；
2. 只要頻率差Δf> 1 / T，就可以分辨兩個峰值。

因此，對于兩個相距距離Δd的物體，它們的IF頻率之差為Δf=S2Δd/ c。由于一個chirp的周期為Tc，這意味著：

即：距離分辨率△d僅取決于線性調(diào)頻脈沖掃過的帶寬

3.3、雷達(dá)的最大檢測距離

由3.2小結(jié)的公式：
可推導(dǎo)出：
即中頻信號的帶寬取決于所需的最大距離。由于IF信號通常經(jīng)過數(shù)字化處理（LPF + ADC），以便在DSP上進(jìn)行進(jìn)一步處理。因此，因此，IF帶寬受到ADC采樣率（Fs）的限制，即： {max}}{c}Fs≥cS2△dmax
故ADC的Fs采樣率將雷達(dá)的最大范圍限制為：
如下兩個示例A和B的距離分辨率誰大誰小？

A和B

說明：
A和B具有相同的分辨率，但是：

1. 對于相同的dmax，線性調(diào)頻A僅需要一半的IF帶寬（=> ADC上較小的Fs）。
2. 但是Chirp B的優(yōu)勢是需要一半的測量時間。

因此Chirp A方案，在獲得同樣的最大測距性能，允許比Chirp B方案更小的ADC采樣時間，平衡硬件性能依賴。

4、總結(jié)

雷達(dá)的測距的工作流程如下：

測距流程

1. 合成器產(chǎn)生一個chirp ；
2. chirp通過TX天線發(fā)送，被目標(biāo)返回。通過RX天線接收此chirp，即得到一個延時的chirp；
3. 將TX發(fā)送的chirp和RX接收的chirp混合成中頻信號IF；
4. 對IF依據(jù)奈奎斯特采樣定理進(jìn)行ADC采樣，必須支持S2dmax / c的IF帶寬。
5. 對ADC數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換，得到頻域信號，其中頻譜包含多個峰值，每個峰值的頻率（f）與相應(yīng)物體的距離（d）成正比。

5、疑問

雷達(dá)探測等距離的目標(biāo)物體，在頻譜圖上峰值是重疊的，如何進(jìn)行區(qū)分？

思考

事實(shí)證明，如果兩個物體相對于雷達(dá)具有不同的速度，則可以通過進(jìn)一步的信號處理將這些物體分離出來。我們將在下一篇文章中進(jìn)行分析！