一文详解毫米波雷达的基本原理

1. 雷达的基本概念

无线电探测及测距（Radio Detection and Ranging）， 发射电磁波并接收目标反射的回波信号，通过对比发射信号与回收信号，获取目标的位置、速度等信息。

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

按照波长和用途分类

• 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

调制：将调制信号（待传输信息）混合到载波信号（起到载运作用的信号）的过程，可分为调频，调幅，调相。 解调：相反的过程，即从混合信号中恢复出待传输信息。 带宽：调制信号频谱的宽度，带宽高有利于传输更多数据。

• 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。

1.3 毫米波雷达的信号频段

1.4 毫米波雷达工作原理

在车载毫米波雷达中，目前主要有三种调制方案：调频连续波（Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW），频移键控（Frequency Shift Keying, FSK）以及相移键控（Phase Shift Keying, PSK）。 主流车载毫米波雷达所采用的的调制信号为调频连续波FMCW。

其基本原理是在发射端发射一个频率随时间变化的信号，经目标反射后被接收机接收，通过反射信号和接收信号之间的混频，得出两个信号的频率差，随后通过电磁波传播公式和多普勒效应公式求出目标距离和速度。 测距测速是通过分析发射和接收的调频连续之间的区别来实现。 测量角度是通过计算不同天线单元之间的延时差来计算。

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

一对收发机所采集到的信号是不具备角度信息的， 因此需要采用多路发射多路接收的架构，或者采用相控阵架构。 短波长和小天线孔径就很有必要了，短波长意味着波束更窄，能量更加集中；更小的孔径尺寸意味着系统上能集成更多的天线单元，这些都有利于提高角分辨率。

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

传输层协议：网口UDP/IP协议，或者CAN接口

•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

数据格式：按照CAN编码机制，确定雷达的输入配置信息与输出数据格式 数据格式：按照CAN编码机制，确定雷达的输入配置信息与输出数据格式

•CAN报文

13个字节 信息段（5Byte）+数据段（8Byte） 数据段按照事先规定好的报文规则进行编码和解码

•CAN报文解析使用方法

数据内容：不同内容使用不同的CAN协议 Cluster类型：包含3类message：

•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

毫米波雷达具有全天侯适应性，是高级别自动驾驶实现必备的环境感知传感器。 77GHz及79GHz雷达是未来车载毫米波雷达的发展方向，国内正处于快速追赶时期。

2. FMCW雷达的工作流程

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。

总结一下，FMCW雷达的工作流程：

•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

对于一个脉冲信号

2.2 混频器

作用：将TX和RX的信号合并生成一个新的信号IF TX发射信号：

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。

2.4 多目标距离估计

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。

距离分辨率是指雷达能区分两个不同目标的最小距离。傅里叶变换理论指出:观测时间窗口T,可以分辨间隔超过1 / T  Hz的频率分量。 因此，两个目标反射信号频率差的差值需要满足。

因此，从式子中我们可以得到提高分辨率的方法：提高带宽B,延长chirp信号。

2.5 单目标速度估计

FMCW雷达会发射两个间隔Tc的线性调频脉冲(两个Chirp) ，相应的IF信号为:

在这里有两个近似条件：

2.6 多目标速度估计

发射一组M个等间隔线性调频脉冲(M个Chirp),对N这个维度进行FFT处理(距离FFT) ，得到M个频谱。

•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。

•如果目标距离不同，速度不同，M个频谱都会出现多个峰值，每个峰值的相位都不同。 对M这个维度进行FFT处理(速度FFT) ，可以分离多个相位分量。

速度分辨率:雷达能区分两个不同目标的最小速度差。

提高速度分辨率的方法:提高帧时间，Chirp时 间固定的话等价于增加Chirp个数。

审核编辑：刘清