毫米波雷达基本原理深度解析

1.1 毫米波雷达分类

雷达的分类

• 所发射电磁波的频段，决定了雷达的基本性能特点

• 超视距雷达、微波雷达、毫米波雷达、激光雷达、…

• 按照用途分类:军用，气象，导航，车载

• 按照波长分类:米，分米，厘米，毫米

• 按照波形分类:脉冲，连续波

• 长波雷达(米，分米)，分辨率低，穿透性强
➢一般用于广播，军事预警，卫星通讯等

• 短波雷达(厘米，毫米)，分辨率高，穿透性差
➢一般用于测绘，短程通讯，车载应用等

按照波形分类

• 脉冲雷达
➢通过脉冲发送和接收的时间差来确定目标的距离
➢不能确定目标的速度

• 连续波雷达
➢发射信号在时间上是连续的
➢发射信号的频率是随着时间变化的(调频连续波)

1.2 信息的传输

• 毫米波雷达使用的电磁波波长介于1-10mm，波长短、频段宽，比较 容易实现窄波束，雷达分辨率高，不易受干扰

• 早期被应用于军事领域，随着雷达技术的发展与进步，毫米波雷达传 感器开始应用于汽车电子、无人机、智能交通等多个领域。

1.4 毫米波雷达工作原理

1.4.1 毫米波雷达测速测距的数学原理

1.4.2 毫米波雷达测角度的数学原理

1.4.3 硬件接口

• 天线向外发射毫米波，接收目标反射信号

• 信号处理器完成回波信号处理

• 算法芯片完成原始点云目标的进一步处理

• CAN接口完成毫米波处理数据的发送以及配置信息的输入

1.4.4 关键零部件

毫米波雷达的天线接发系统
• PCB板实现MMIC(单片微波集成电路)
• 包括接收电路单元，负责发射与接收连续调频波

毫米波雷达的信号处理芯片
• 包含信号处理器和算法芯片
• 完成回波信号处理与目标感知结果的计算

1.4.5 数据的协议与格式

•控制器局域网总线（CAN，Controller Area Network）是一种用 于实时应用的串行通讯协议总线

•CAN报文

•CAN报文解析使用方法

•Header(数量n)

•+n个数据消息(距离/角度/速度)

•+n个质量消息(数据的方差)(1≤n ≤ 256）

1.5 车载毫米波雷达的重要参数

常见参数：

•测量性能 测距范围
      距离/水平角/速度 分辨率 (可对两个物体进行区分的最小单位)
      距离/水平角/速度 精度 (测量不确定性)

•操作条件 雷达发射功率、传输能力、电源、功耗、操作温度

1.6 车载毫米波雷达的三种典型应用

PS：此部分主要是为了简单理解FMCW雷达的工作原理，是对第一章内容的补充。

•合成器生成一个线性调频信号 ;

•发射天线( TX )发射线性调频信号;

•接收天线( RX )捕获目标对线性调频信号的反射;

•混频器将RX和TX信号合并到一-起，生成一个中频(IF )信号。

2.1 线性调频脉冲信号

2.2 混频器

2.3 单目标距离估计

PS：此处估计为了简要分析，雷达与目标的相对速度为0。

图片来源

•来自三个目标的RX接收信号，每个信号有不同的延时，延时和与目标的距离成正比。

•不同的RX接收信号转化为多个单音信号，每个信号的频率差是恒定的(fb1 , fb2 , fb3 )

•混频器输出的是多个单音信号的叠加。对该信号进行FFT操作，会产生一个具有不同的峰值的频谱，每个峰值表示在特定距离处的目标。

2.5 单目标速度估计

2.6 多目标速度估计

•如果目标距离相同，速度不同，M个频谱的峰值相同，但相位不同，包含来自多个目标的相位成分。

参考文献

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