毫米波雷達是指天線發(fā)射的波長在1-10mm，頻率在30-200GHz的電磁波。

常見的倒車用的超聲波雷達適合近距離固定物體的檢測，毫米波雷達更適合遠距離移動物體的檢測。

汽車ADAS系統(tǒng)中常使用毫米波雷達，比如自適應巡航ACC、前方碰撞預警FCW、后方橫穿預警RCTA等。

RCTA后方橫穿預警系統(tǒng)

傳統(tǒng)的毫米波雷達通過檢測雷達信號反射的回波，可以測出汽車與探測目標的相對距離、速度、角度等信息。

比如RCTA系統(tǒng)中在車尾兩側(cè)安裝的超聲波雷達，后方探測距離為4米，左右側(cè)后方探測距離為30米，可以檢測此范圍內(nèi)的機動車、自行車和行人等移動物體。

RCTA后方探測距離4米，左右側(cè)后方探測距離30米

系統(tǒng)先根據(jù)雷達提供的探測信號計算出目標物體的速度、再根據(jù)本車的速度和本車的行駛軌跡，計算出后方物體與本車的碰撞時間，根據(jù)碰撞時間進行報警。

傳統(tǒng)毫米波雷達因為可以探測到距離、方位和速度三個維度的信息，也稱為3D毫米波雷達。

4D毫米波雷達是在3D毫米波雷達的基礎(chǔ)上擴展而來，因此我們先了解下3D毫米波雷達的工作原理。

1. 毫米波雷達的理論基礎(chǔ)-多普勒效應

毫米波雷達的基本原理來自多普勒效應。多普勒效應是指波源和觀察者有相對運動時，觀察者接收到的頻率和波源發(fā)出的頻率并不相同，兩者之間的差值叫做多普勒頻率。

產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是波長會隨著波源和觀察者的相對運動而產(chǎn)生變化，在運動的波源前，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高；在運動的波源后面，波長會變得較長，頻率變得較低；波源的速度越高，所產(chǎn)生的效應越大。根據(jù)波移的程度，可以計算出波源循著觀測方向運動的速度。

多普勒效應波長變化示意圖

多普勒效應可用公式表達如下：

式中，fr為觀察者觀測到的頻率，f0為波源發(fā)出的頻率，V為波的傳播速度，Vr為觀察者的速度，Vs為波源的速度。

Vr為觀察者移動速度，若接近發(fā)射源則前方運算符號為 + 號, 反之則為 - 號；

Vs為發(fā)射源移動速度，若接近觀察者則前方運算符號為 - 號，反之則為 + 號。

通過公式可以看出，觀察者與發(fā)射源接近時，分子變大，分母變小，觀察者接收到的頻率比原始頻率變高，波長比原始波長變短。

反之，遠離的時候，分子變小，分母變大，計算得到的頻率比原始頻率變低，波長變長。

接近時，頻率變高；遠離時，頻率變低

通過檢測多普勒頻率，就可以測得觀察者相對于光源的移動速度。再根據(jù)波發(fā)出和接收的時間差，便可以計算出觀察者相對于光源的距離。

多普勒效應中的波長變化有點像游泳時的水波紋變化，向前游泳時，身體推著水波走，前面的水波紋變密集，身后的水波紋會變稀疏。

多普勒頻率變化類似水波紋變化

毫米波雷達運用多普勒頻移原理不僅可以實現(xiàn)對目標移動速度和距離的測定，還可以檢測目標的方位。

毫米波雷達的發(fā)射天線發(fā)射出毫米波后，通過毫米波雷達并列的接收天線，通過收到同一監(jiān)測目標反射回來的毫米波的相位差，就可以計算出被監(jiān)測目標的方位角。

2. 毫米波雷達組成

毫米波雷達控制器主要由收發(fā)天線（TX&RX），射頻單元（RF）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、數(shù)字信號處理器 (DSP)、微控制器 (MCU)等組成。

目前毫米波雷達的芯片已經(jīng)高度集成，不僅將射頻芯片、數(shù)字處理芯片和微控制器集成在一起，甚至也可以將天線集成在芯片中。

2.1天線

當天線的長度為電磁波波長的1/4時，天線的發(fā)射和接收轉(zhuǎn)換效率最高。而毫米波的波長只有幾個毫米，所以天線可以做得很小。通過使用多根天線來構(gòu)成陣列天線，可以讓電磁波的波束變得很窄，而窄波束可以達到更高的方位角分辨率。

目前毫米波雷達天線主要是采用微帶陣列的方式，常見的方式是在高頻PCB上集成“微帶貼片天線”，再將高頻PCB集成在雷達主板上。

微帶貼片天線

2.2 RF

RF射頻部分負責信號調(diào)制、發(fā)射、接收以及回波信號的解調(diào)。

相關(guān)功能電路主要包括低噪聲放大器、功率放大器、混頻器、檢波器、調(diào)制器、壓控振蕩器、移相器、開關(guān)等部件。

2.3 DSP

DSP通過嵌入不同的信號處理算法，提取從前端采集得到的中頻信號，獲得特定類型的目標信息，DSP計算數(shù)值的高精度可用于保證毫米波雷達穩(wěn)定性和可靠性。

2.4 MCU

MCU根據(jù)DSP輸出的目標信息，結(jié)合車身動態(tài)信息進行數(shù)據(jù)融合，進行最終的決策處理。

3.FMCW調(diào)頻連續(xù)波

根據(jù)發(fā)射電磁波方式不同，毫米波雷達主要分為脈沖波和連續(xù)波兩種類型。

脈沖波由于高成本、高體積、高功耗的缺點，車載毫米波雷達很少使用。

連續(xù)波中的FMCW（調(diào)頻連續(xù)波）方式由于具有同時檢測多個目標、分辨率較高、成本較低等優(yōu)點，成為車載雷達首選的類型。

FMCW類型的波形是 Chirp波形，chirp是指一種頻率隨時間變化的信號，其時域波形圖如下所示：

Chirp信號時域波形

FMCW是一種頻率隨時間線性增加的Chirp波形，增長的斜率，也就是頻率線性增長的速度，叫做調(diào)頻率。

比如77G毫米波雷達，chirp的起始頻率為77GHz，以1GHz/us的調(diào)頻率達到81GHz時,就會發(fā)射一個脈沖寬度為40us的線性調(diào)頻信號。

線性調(diào)頻信號發(fā)射示例

FMCW雷達由發(fā)送天線(Tx Antenna)、接收天線(Rx Antenna)、混頻器(Mixer)、時鐘源晶振（Osillator)、ADC和DSP組成。

毫米波雷達內(nèi)部將信號合成后，會以幀為單位，均勻等時間間隔的通過發(fā)射天線發(fā)出Chirp信號。

FMCW雷達系統(tǒng)原理框圖

在毫米波雷達接收天線收到發(fā)射回來的電磁波后，會將回波信號與發(fā)射信號一同送入混頻器內(nèi)進行混頻。由于發(fā)射信號在遇到被測目標并返回的這段時間內(nèi)，回波信號的頻率相較發(fā)射信號已經(jīng)發(fā)生了改變。而混頻器的目的就是計算出發(fā)射信號與回波信號之間頻率差，稱之為中頻信號。

中頻信號經(jīng)過濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換和測頻等處理后就可以獲得被測目標的距離信息。

對于速度測量，由于被測目標距離的不同，毫米波雷達接收到的回波信號相位也會不同。通過對一幀中所有單個chirp信號進行等間隔采樣，并將采樣點的數(shù)據(jù)進行傅里葉變換，然后利用相位差就可以計算出被測目標的速度。

對于角度測量，利用多個接收天線接收同一個回波信號，并計算回波信號之間的相位差來實現(xiàn)角度測量。

4.  4D毫米波雷達

傳統(tǒng)的毫米波雷達只能輸出距離、速度和角度三個維度的信息，所以也稱為3D毫米波雷達。

從幾何坐標系的角度來看，雷達探測信息中的距離D和角度θ是平面坐標系下的數(shù)據(jù)，如下圖所示：

3D毫米波雷達坐標系

通過坐標系，我們可以獲得目標車在x軸和y軸兩個方向上的信息。但是由于不是立體坐標系，我們無法獲得Z軸方向上的信息。

Z軸就是對應目標物體的高度，車輛行駛時，對于移動物體（車輛、行人等）來說，高度信息好像并不重要，也不需要知道。

但是在一些特殊場景，有些物體的高度信息還是需要檢測的，比如道路中的石塊、井蓋、空中飛行的鳥、漂浮的物體，懸在半空中的各種標識牌，限高架等。

由于沒有高度信息，通過3D毫米波雷達無法區(qū)分高處物體和地面物體，難以判斷這些障礙物是否影響通行，容易造成誤剎，影響行駛安全性。

此外，傳統(tǒng)雷達的理論基礎(chǔ)是多普勒效應，多普勒效應適合檢測相對移動的物體，

當有靜止車輛時，目標信息容易和地雜波等摻雜在一起，識別難度較大。

當有橫穿車輛和行人時, 多普勒為零或很低，也很難檢測。

4D毫米波雷達就是在原有的距離、方位、速度三個維度基礎(chǔ)上增加了高度信息。相比傳統(tǒng)毫米波雷達僅能判斷出前方有障礙物，4D毫米波雷達增加了縱向天線及處理器，可以接收更多信息返回點，并像激光雷達一樣呈點云圖，能呈現(xiàn)出更多細節(jié)信息，更易于三維建模，彌補了傳統(tǒng)雷達難以識別高度這個維度信息的缺點。

4.1 俯仰角測量

角度測量原理中，需要通過多個接收天線接收同一個回波信號來計算相位差從而實現(xiàn)方位角的測量。而受制于成本和體積的限制，當前毫米波雷達使用的多是單片收發(fā)器。而要想實現(xiàn)俯仰角的測量，就必須增加虛擬通道的數(shù)量，最容易實現(xiàn)方法就是將多個單片收發(fā)器級聯(lián)。

比如將4片MMIC級聯(lián)，實現(xiàn)12發(fā)16收，總計達192個虛擬通道。這比經(jīng)典常見的3D毫米波雷達的3發(fā)6收18個虛擬通道方案，虛擬通道總數(shù)上多10倍。分辨率是直接和虛擬通道的數(shù)量成正比的。

4D毫米波雷達通過精確探測俯仰角度，獲取被測目標真實的高度數(shù)據(jù)，也就是目標物體在坐標系下z軸方向上的距離。

4D毫米波雷達不僅更容易識別靜止物體和高度信息，在分辨率上也獲得極大提高。其水平和垂直分辨率分別可以達到1°和2°左右，水平分辨率比普通3D毫米波雷達提升5~10倍。垂直方向上分辨率的提高，也讓4D毫米波雷達在掃描同一物體時可獲掃描的點的數(shù)量極大增加，物體形狀的辨識度可大大提高。

當然，硬件級聯(lián)的方式也有缺點，成本、尺寸、功耗會大幅增加，工藝更復雜、大量天線之間的干擾也會增加。

除了硬件級聯(lián)的方案，也在開發(fā)依靠AI算法增加虛擬通道數(shù)的方案，希望通過軟件算法來解決硬件方案的不足。

4.2 優(yōu)勢與特點

4D毫米波雷達系統(tǒng)水平角度分辨率較高，通?？梢赃_到1°的角度分辨率，可以區(qū)分 300m 處的兩輛近車，可探測的距離更遠。

4D毫米波雷達系統(tǒng)可以測量俯仰角度，可達到2°的角度分辨率，可在 150m 處區(qū)分地面物體和立交橋等高空物體。

當有橫穿車輛和行人, 多普勒為零或很低時通過高精度的水平角和高精度的俯仰角可以有效識別目標。

4D毫米波雷達的目標點云更密集，信息更豐富，更適合與深度學習框架結(jié)合。

當然，4D毫米波雷達也有一些不足之處，比如由于天線陣列設(shè)計復雜，需要提升陣列使用效率。雷達與雷達之間的干擾加重，提高了抗干擾設(shè)計的難度。此外，傳統(tǒng)毫米波雷達用CAN或CAN-FD連接，4D毫米波雷達信息量大，需要使用10OMbps的以太網(wǎng)接口。

5. 小結(jié)

毫米波雷達在探測能力、穿透能力、抗干擾能力等方面比較均衡，很適合車載領(lǐng)域的全天時、全天候的要求。4D毫米波雷達技術(shù)突破了傳統(tǒng)3D雷達的局限性，除了可以以很高的分辨率探測動態(tài)目標的距離、速度、方位信息，還可以通過測量俯仰角來探測飛鳥、限高牌、立交橋等高度信息。此外，4D毫米波雷達探測靜態(tài)物體、橫穿車輛和行人的能力更好！