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講清車(chē)載毫米波雷達(dá)基本概念

2022-02-27 11:18:26·  來(lái)源：汽車(chē)ECU開(kāi)發(fā)  作者：趙孔瑞  
　
首先給大家介紹車(chē)載毫米波雷達(dá)基本概念。重點(diǎn)從通俗易懂的角度向大家介紹毫米波雷達(dá)基本原理、最大探測(cè)距離和距離分辨率、最大測(cè)速范圍和速度分辨率、最大測(cè)角范
首先給大家介紹車(chē)載毫米波雷達(dá)基本概念。重點(diǎn)從通俗易懂的角度向大家介紹毫米波雷達(dá)基本原理、最大探測(cè)距離和距離分辨率、最大測(cè)速范圍和速度分辨率、最大測(cè)角范圍和角度分辨率。

1 毫米波雷達(dá)原理

毫米波雷達(dá)利用發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)之間的頻率差來(lái)進(jìn)行測(cè)距、測(cè)速，利用天線陣元之間的相 位差來(lái)進(jìn)行測(cè)角。毫米波雷達(dá)系統(tǒng)框圖如下圖所示：
圖1 毫米波雷達(dá)系統(tǒng)框圖
（1）毫米波雷達(dá)首先通過(guò)信號(hào)發(fā)生器（圖中LO Gen.）產(chǎn)生我們所需要的雷達(dá)信號(hào)波形，如現(xiàn)在常用的快速鋸齒波或者叫線性調(diào)頻連續(xù)波（FMCW），這時(shí)被產(chǎn)生的信號(hào)還是基帶信號(hào)，不能夠直接發(fā)射出去，還需要多級(jí)變頻調(diào)制處理，將產(chǎn)生的雷達(dá)波形信號(hào)調(diào)制到76GHz~77GHz之間，經(jīng)過(guò)放大器（PA）放大之后，再經(jīng)發(fā)射天線（TX）輻射到空間中去。目前77GHz常用的FMCW波形示意圖如下圖所示：


圖2 FMCW雷達(dá)波形示意圖
實(shí)際雷達(dá)工作波形并沒(méi)有圖2這么理想，真正的雷達(dá)工作波形將在后面貼上。毫米波雷達(dá)在一個(gè)工作周期內(nèi)或者一幀內(nèi)（簡(jiǎn)稱一個(gè)frame）發(fā)射一連串的FMCW信號(hào)，一個(gè)FMCW就是一個(gè)Chirp。如圖2所示，一個(gè)frame由N個(gè)Chirp組成。
（2）由發(fā)射天線輻射的雷達(dá)信號(hào)照射到空間目標(biāo)之后，再反射到雷達(dá)處，被接收天線（RX）接收，經(jīng)過(guò)低噪聲放大（LNA）之后，與參考信號(hào)（即雷達(dá)發(fā)射信號(hào)）進(jìn)行混頻，得到復(fù)基帶信號(hào)（I路信號(hào)和Q路信號(hào)）。經(jīng)低通濾波之后，通過(guò)ADC采樣得到離散的復(fù)基帶信號(hào)。車(chē)載雷達(dá)RF模塊與軍用雷達(dá)由3大不同，首先，車(chē)載雷達(dá)RF模塊現(xiàn)在高度集成化的，集成在一個(gè)RF芯片上，而軍用雷達(dá)的RF是由多個(gè)分離式的單元組成；其次，車(chē)載雷達(dá)為了降低成本，采用的是模擬混頻和模擬低通濾波，直接得到基帶信號(hào)，而軍用雷達(dá)是采用數(shù)字混頻和數(shù)字帶通濾波，得到的是帶有一定載頻的中頻信號(hào)，然后采用高速ADC進(jìn)行采樣得到數(shù)字中頻信號(hào)；第三，在混頻部分，目前除TI采用I/Q正交混頻外,英飛凌和NXP為了降成本，采用的是I單路混頻，如圖3所示。軍用雷達(dá)目前普遍采用I/Q正交混頻。所以英飛凌和NXP這兩家的基帶信號(hào)強(qiáng)度要比TI的低3dB，但是省掉Q路的混頻硬件模塊和對(duì)應(yīng)的ADC。


圖3 只有I路混頻的雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的混頻如下圖所示：
圖4 單目標(biāo)情況下的混頻結(jié)果示意圖
從圖4可見(jiàn)，對(duì)單個(gè)目標(biāo)而言，混頻后得到的基帶信號(hào)是一個(gè)頻率固定的近似正弦信號(hào)。當(dāng)存在多個(gè)目標(biāo)情況下，基帶信號(hào)將是多個(gè)不同頻率的正弦信號(hào)的疊加。
(3) ADC采樣后的數(shù)字信號(hào)在DSP中完成相應(yīng)的信號(hào)處理。雷達(dá)信號(hào)處理流程如圖5所示：
圖5 雷達(dá)信號(hào)處理鏈路流程圖
信號(hào)處理的具體步驟包括：
1）2D-FFT：首先對(duì)每個(gè)RX通道的每個(gè)frame內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行2D-FFT處理（R-D處理），得到每個(gè)通道的距離-多普勒譜。這個(gè)2D-FFT譜是一個(gè)復(fù)數(shù)結(jié)果，不能直接進(jìn)行目標(biāo)位置和速度信息的提取。因此，我們要進(jìn)行非相干積累處理。
2）非相干積累：即對(duì)每個(gè)通道對(duì)應(yīng)的2D-FFT結(jié)果取模平方值，然后所有通道的2D-FFT取模平方結(jié)果的對(duì)應(yīng)位置求和后平均，得到一張合成后的R-D譜。這就完成了非相干積累處理。合成的R-D譜上的每一個(gè)峰值代表一個(gè)可能的目標(biāo)或干擾。非相干積累的目標(biāo)有2個(gè)：首先，是提高信噪比，提高檢測(cè)精度；其次，平滑噪聲，降低CFAR階段的誤檢率。
3）CFAR檢測(cè)：根據(jù)非相干積累結(jié)果進(jìn)行恒虛警檢測(cè)，得到這一幀內(nèi)所有可能的目標(biāo)。所有被檢測(cè)出來(lái)的目標(biāo)并不一定都是真實(shí)目標(biāo)，有可能是很強(qiáng)的雜波干擾。被檢測(cè)出來(lái)的干擾目標(biāo)可以在目標(biāo)跟蹤階段進(jìn)行濾除。根據(jù)CFAR檢測(cè)的可能目標(biāo)在R-D譜上的對(duì)應(yīng)位置，可以計(jì)算出目標(biāo)的距離和速度信息。
4）角度估計(jì)：CFAR完成后雖然得到了每個(gè)可能目標(biāo)的位置和速度信息，但是還沒(méi)有得到目標(biāo)的角度信息。為得到每個(gè)目標(biāo)的角度信息，需要利用每個(gè)目標(biāo)在所有接收通道上的對(duì)應(yīng)R-D譜位置上的數(shù)據(jù)，通過(guò)DBF或者空間譜估計(jì)方法盡心角度估計(jì)，進(jìn)而得到目標(biāo)角度信息。
上述步驟完成了對(duì)每個(gè)目標(biāo)的距離、速度和角度信息的計(jì)算，利用這些信息可以進(jìn)行聚類和跟蹤等處理，進(jìn)一步得到目標(biāo)的軌跡信息以及尺寸和類型信息。
接下來(lái)為大家介紹一些雷達(dá)威力范圍和性能指標(biāo)的計(jì)算和評(píng)估方法。

2 雷達(dá)威力范圍和性能指標(biāo)

1）雷達(dá)最大探測(cè)距離
雷達(dá)工作參數(shù)決定了雷達(dá)最大探測(cè)距離，有兩種方法可以分析和計(jì)算雷達(dá)最大探測(cè)距離：基于雷達(dá)方程的方法和基于雷達(dá)調(diào)頻斜率的方法。首先我們介紹基于雷達(dá)方程的最大探測(cè)距離估計(jì)方法。
假定雷達(dá)通過(guò)天線往球面空間均勻輻射能量，發(fā)射天線功率為 Pt，發(fā)射天線增益為 Gt ，那么距離處雷達(dá)輻射的功率密度為：
pt=(PtGt)/(4πR2)
在距離 R 處，雷達(dá)輻射的部分能量被目標(biāo)截獲，假定目標(biāo)散射截面積（RCS）為σ，那么被目標(biāo)截獲的功率為
Pσ=σ*pt=(PtGtσ)/(4πR2)
這部分能量又輻射到空間任意方向上去，重新輻射到雷達(dá)天線處的功率密度為：
Pr=Pσ/(4πR2)=((PtGtσ)/(4πR2))*(1/4πR2)
此時(shí)，有部分能量被雷達(dá)接收天線接收，假定雷達(dá)接收天線的接受面積為 Ae，那么雷達(dá)天線接收的信號(hào)功率為：
Pr=Ae*pr=((PtGtσ)/(4πR2))*(Ae/4πR2)
假定雷達(dá)接收機(jī)靈敏度（最小可檢測(cè)信號(hào)）為 Smin，那么當(dāng) Pr=Smin 時(shí)，對(duì)應(yīng)的雷達(dá)探測(cè)距離R就是雷達(dá)的最大可探測(cè)距離：
Smin=Pr=((PtGtσ)/(4πR2))*(Ae/4πR2)
即


從上面推導(dǎo)可見(jiàn)，最大探測(cè)距離不僅與發(fā)射功率和發(fā)射天線增益有關(guān)，還與目標(biāo) RCS和接收機(jī)靈敏度有關(guān)。目標(biāo)RCS是個(gè)很玄的東西，到現(xiàn)在業(yè)內(nèi)都沒(méi)人說(shuō)清RCS是怎么回事，它的機(jī)理是什么。因?yàn)镽CS因素的影響，顯著增大了雷達(dá)最大探測(cè)距離評(píng)估的復(fù)雜度。因此，不確定因素太多，基于雷達(dá)方程來(lái)進(jìn)行最大探測(cè)距離評(píng)估和計(jì)算不是最好的方法。
另一種最大探測(cè)距離計(jì)算方法比較簡(jiǎn)單，只與調(diào)頻斜率和雷達(dá)RF的中頻帶寬。由于RF芯片由中頻帶寬限制，所以雷達(dá)發(fā)射和接收信號(hào)在混頻后，RF芯片接收通道最大可接收的差頻信號(hào)頻率不超過(guò)中頻帶寬的最大值，所以車(chē)載雷達(dá)最大可探測(cè)距離可以表示為：


其中
為 IFmax RF芯片的最大中頻帶寬；
S為FMCW調(diào)制斜率；
c是光速。
因此，在車(chē)載雷達(dá)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)，最大可探測(cè)距離可以用第二種方法來(lái)計(jì)算。
2）雷達(dá)距離分辨率
距離分辨率的概念是:在角度和速度相同的條件下，能夠?qū)蓚€(gè)目標(biāo)區(qū)分開(kāi)來(lái)的最小距離間隔。FMCW雷達(dá)信號(hào)處理中，通常用2D-FFT來(lái)進(jìn)行距離-多普勒處理。所以我們從離散傅里葉變換角度推導(dǎo)距離分辨率如何計(jì)算。假定距離維處理時(shí)，每個(gè)Chirp的有效采樣長(zhǎng)度為T(mén)a。那么進(jìn)行傅里葉變換后，對(duì)應(yīng)的頻率分辨率為1/Ta 。因此，在距離維上可以區(qū)分兩個(gè)目標(biāo)的條件是，它們的頻率間隔 △f 必須大于1/Ta ，即


又因?yàn)轭l率間隔△f與對(duì)應(yīng)的距離間隔△d之間的關(guān)系為


由此可得


其中 B=S x Ta為有效帶寬。
所以距離分辨率為


再次強(qiáng)調(diào)的是，B是有效帶寬，即距離維上你實(shí)際采樣點(diǎn)數(shù)所占時(shí)間長(zhǎng)度所對(duì)應(yīng)的調(diào)制帶寬。不是你雷達(dá)工作時(shí)的整個(gè)雷達(dá)波形掃頻帶寬，因?yàn)樵趯?shí)際采樣過(guò)程中，往往對(duì)每個(gè)Chirp周期內(nèi)的數(shù)據(jù)掐頭去尾，丟掉質(zhì)量不好的起始端和末尾段數(shù)據(jù)，有效帶寬往往小于雷達(dá)工作時(shí)的掃頻帶寬，如下圖所示。
圖6 雷達(dá)掃頻帶寬與實(shí)際有效帶寬的關(guān)系
3）最大不模糊速度
不模糊測(cè)速范圍表示雷達(dá)的最大測(cè)速能力。假定雷達(dá)發(fā)射兩個(gè)Chirp的FMCW信號(hào)，Tc為Chirp周期，如下圖所示。


圖7 兩個(gè)Chirp的FMCW信號(hào)
假定空間中只有一個(gè)目標(biāo)，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度為,那么紅色Chirp和藍(lán)色Chirp之間因?yàn)樗俣纫鸬木嚯x徙動(dòng)為 2vTc ，之所以不是vTc，是因?yàn)槔走_(dá)信號(hào)往返有雙程差。因此，兩個(gè)Chirp因?yàn)樗俣纫鸬南辔徊顬?


由此可得


通?！鳓盏慕^對(duì)值小于π，因此，最大不模糊速度為


所以當(dāng)Chirp周期為T(mén)c時(shí)，雷達(dá)測(cè)速范圍為 -vmax < v < vmax 。
4）速度分辨率
與距離分辨率相類似，速度分辨率表征區(qū)分兩個(gè)不同速度目標(biāo)的能力。因?yàn)榍蠼饽繕?biāo)目標(biāo)速度時(shí)，是在慢時(shí)間維上進(jìn)行FFT處理，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)為一個(gè)frame內(nèi)的Chirp數(shù)目。假定一個(gè)frame內(nèi)的Chirp數(shù)為N，則速度分辨率為


5）最大測(cè)角范圍與角度分辨率
毫米波雷達(dá)的最大測(cè)角范圍與雷達(dá)陣列的陣元間距有關(guān)。接收陣元接收空間反射回來(lái)的信號(hào)，相當(dāng)于在空間維上進(jìn)行空間采樣。雷達(dá)天線陣列如下圖所示：
圖8 雷達(dá)天線陣列示意圖
假定雷達(dá)接收天線陣元間距為L(zhǎng)，在角度處有一個(gè)目標(biāo)。那么對(duì)于該目標(biāo)θ，相鄰兩個(gè)接收陣元之間的相位差為


其中△d=L*sin(θ) ，那么


由此推導(dǎo)得到




因此，當(dāng)陣元間距等于半波長(zhǎng)，即 L=λ/2時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大不模糊測(cè)角范圍為 -π/2~+π/2 。
類似的，假定雷達(dá)接收陣元數(shù)目為
，那么角度分辨率為


其中,D為接收陣列天線孔徑。 
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