自动驾驶（四十六）毫米波雷达简介

       目前自动驾驶中激光雷达应用还有很多瓶颈&＃xff0c;毫米波雷达在自动驾驶中目前依然无可替代&＃xff0c;既然如此就必须好好理解毫米波雷达的原理&＃xff0c;因为要想利用好这些传感器&＃xff0c;第一步就是理解&＃xff0c;知己知彼百战不殆&＃xff0c;当下毛衣战升级&＃xff0c;汽车销量严重下滑&＃xff0c;可谓殷鉴不远&＃xff0c;必须常备不懈。

1. 毫米波雷达是什么

       通常将波长为1&＃xff5e;10毫米的电磁波称毫米波&＃xff0c;车载毫米波雷达工作的频段为24GHz和77GHz&＃xff0c;少数国家&＃xff08;如日本&＃xff09;采用60GHz频段。车载毫米波雷达通过天线向外发射毫米波&＃xff0c;接收目标反射信号&＃xff0c;经后方处理后快速准确地获取汽车车身周围的物理环境信息&＃xff0c;然后根据所探知的物体信息进行目标追踪和识别分类&＃xff0c;进而结合车身动态信息进行数据融合&＃xff0c;最终通过&＃xff08;ECU&＃xff09;进行智能处理。

       电磁波有几种特性&＃xff0c;当电磁波遇到不同介质时会发生反射、吸收、透射、衍射等现象&＃xff0c;毫米波主要是利用电磁波的反射&＃xff0c;通过发送和接收电磁波的时间计算反射物体的位置&＃xff0c;波长越长&＃xff0c;越容易发生透射和衍射现象&＃xff0c;而波长越短&＃xff0c;则很容易被反射。目前主要是24HZ&＃xff0c;未来会采用77HZ和79HZ的&＃xff0c;频率越高&＃xff0c;波长越短&＃xff0c;反射性越好&＃xff0c;分辨率越高。

2. 车载毫米波雷达工作体制

        根据辐射电磁波方式不同&＃xff0c;毫米波雷达主要有脉冲体制以及连续波体制两种工作体制。其中连续波又可以分为FSK(频移键控)、PSK&＃xff08;相移键控&＃xff09;、CW(恒频连续波)、FMCW(调频连续波)等方式。FWCW雷达是最常用的车载毫米波雷达。能同时测出多个目标的距离和速度信息&＃xff0c;可对目标连续跟踪&＃xff0c;系统敏感性高&＃xff0c;错误报警率低&＃xff1b;不易受外界电磁噪声的干扰&＃xff1b;测量距离远&＃xff0c;分辨率高&＃xff1b;所需发射功率低&＃xff1b;成本较低&＃xff1b;信号处理难易程度及实时性可达到系统要求。

        FMCW雷达系统主要包括收发天线、射频前端、调制信号源和信号处理模块等。

1. FMCW调制信号发生器经过压控振荡器&＃xff08;VCO&＃xff09;产生高频信号&＃xff08;GHz级别&＃xff09;&＃xff0c;一部分能量耦合输入混频器作为本振信号&＃xff0c;另一部分能量经功率放大器&＃xff08;PA&＃xff09;由发射天线以电磁波的方式向空中辐射。
2. 电磁波在空气中向前方传播过程中如遇到目标则会小部分反射&＃xff0c;反射回来的回波信号被接收天线截获形成电信号。
3. 回波信号经低噪声放大器&＃xff08;LNA&＃xff09;放大&＃xff0c;与本振信号在混频器进行混频&＃xff0c; 输出一个较低的差拍频率&＃xff08;一般为MHz级别&＃xff09;&＃xff0c;差频信号含有目标和雷达之间的距离和相对速度等信息。
4. 然后通过带通滤波器&＃xff08;BPF&＃xff09;放大滤波&＃xff0c;A/D转换&＃xff0c;对所得到的数字信号作FFT&＃xff08;快速傅氏运算&＃xff09;&＃xff0c;进行频谱分析&＃xff0c;便可以获得目标和雷达之间的距离、相对速度及方位角等信息。
5. 最后经由控制电路做出危险状况的判断&＃xff0c;向驾驶员发出预警&＃xff0c;或结合环境情况对汽车做出主动干预。

       把毫米波雷达安装在汽车上&＃xff0c;可以测量从雷达到被测物体之间的距离、角度和相对速度等。毫米波雷达目前主要应用于中高端车型&＃xff0c;随着大众对汽车主动安全性能的认可度增加&＃xff0c;ADAS相关产品将逐渐向低端车型普及。

3. 毫米波雷达的检测、测距、测速和角度测量

      毫米波和大多数微波雷达一样&＃xff0c;有波束的概念&＃xff0c;也就是发射出去的电磁波是一个锥状的波束&＃xff0c;而不像激光是一条线。这是因为这个波段的天线&＃xff0c;主要以电磁辐射&＃xff0c;而不是光粒子发射为主要方法。优点&＃xff0c;可靠&＃xff0c;因为反射面大&＃xff0c;缺点&＃xff0c;就是分辨力不高。

      电磁波在空气中传播时间3*10^8m/s&＃xff1b;判断有没有目标很简单&＃xff0c;判断回波有没有就行了。测距也简单&＃xff0c;都是基于TOF原理&＃xff0c;但是我们说电磁波的传播速度是光速&＃xff0c;所以这个带来了一定的挑战。刚才我们说毫米波雷达作用距离都不太远&＃xff0c;比如我们说汽车或者无人机&＃xff0c;那么探测距离就很近&＃xff0c;回波和发射波间隔就非常短&＃xff0c;所以一般并不太适合使用简单的发射脉冲方式&＃xff0c;所以现在主要是用FMCW方式较多。

      毫米波雷达测速和普通雷达一样&＃xff0c;有两种方式&＃xff0c;一个基于dopler原理&＃xff0c;就是当发射的电磁波和被探测目标有相对移动、回波的频率会和发射波的频率不同。通过检测这个频率差可以测得目标相对于雷达的移动速度。但是这种方法无法探测切向速度&＃xff0c;第二种方法就是通过跟踪位置&＃xff0c;进行微分得到速度。

     毫米波雷达的侧向&＃xff0c;雷达对目标方位的探测主要基于一种方法&＃xff0c;就是使用较窄的波束。因为当目标出现在波束里&＃xff0c;我们一般没有办法判断目标具体在这个波束内部的那个方向&＃xff0c;所以我们必须把波束做窄&＃xff0c;当然能和激光一样最好&＃xff0c;但是这个很难。那么把波束做窄&＃xff0c;有几种方法&＃xff0c;一种使用有向天线&＃xff0c;比如喇叭天线或者透镜天线。还有一种方法&＃xff0c;就是使用多根天线&＃43;阵列信号处理的方法。对于毫米波来讲&＃xff0c;由于波长很短&＃xff0c;所以我们做很多根天线的代价就很小&＃xff08;这个代价指价格、尺寸&＃xff09;&＃xff0c;所以毫米波雷达大量使用阵列天线的方式来构成窄波束&＃xff0c;能多窄呢&＃xff1f;比如3度&＃xff0c;5度这样&＃xff0c;是汽车常用的。当然这个和激光还不能比&＃xff0c;但是已经很好了。