一文带你了解毫米波雷达

一、毫米波雷达简介

（一）定义

雷达是英文 Radar 的音译，源于 Radio Detection and Ranging 的缩写，原意是“无线电探测和测距”，即用无线电方法发现目标并测定它们在空间的位置。毫米波雷达是指一种工作在毫米波频段（millimeter wave）的雷达传感器。

国际电信联盟（ITU）发布的《无线电规则》（2020 年）和我国《无线电频率划分规定》中，将无线电频率在 30-300GHz 的频段（波长 1-10mm）称呼为毫米波频段。

无线电及毫米波频段划分图

目前国内使用的 24GHz、60GHz、77GHz、80GHz 等雷达产品统归为毫米波雷达。

（二）基本特性

作为雷达系列中的高频段产品，毫米波雷达具有频带宽、波长短、大气传播损耗较大等基本特性，各特性对应的优缺点概括如下图所示。

从上表可以看出，毫米波雷达具有显著的实用优势，但需要说明的是，我们并不是否定其他传感器的作用，毫米波雷达的大气传播损耗较大，适用于近距离场景，而在远程和超远程应用中，微波雷达仍然是探测目标的主力军。微波、毫米波、红外、激光等系统的作用应该是互补的、缺一不可的。

（三）核心功能

毫米波雷达的核心功能包括测距、测速、测方位角、微动探测和4D 成像等，通常雷达系统是通过同时测量2-3 个功能参量而构成一个应用产品。图表列举了每种功能的典型应用及功能介绍。

（四）基本原理

毫米波雷达三个基础的系统功能为距离测量、速度测量和角度测量。以 FMCW 雷达系统为例，其基本功能实现原理为：

1、测距原理

FMCW 毫米波雷达的测距主要是利用发射信号和回波信号之间的时延 td，结合毫米波传播速度 c、以及目标和雷达的相对速度 v 推算出毫米波雷达和检测目标的相对距离 R 。

毫米波雷达具有较高的距离分辨率和测距精度，且可以通过后端算法实现毫米级的精确测距。

毫米波雷达测距能力与发射功率、天线增益、天线波束角和物体反射截面积等因数有关。通常发射功率越大，天线增益越高、天线波束角越窄以及物体反射截面积越大，雷达能够检测到的有效回波就越强，测量距离就越远。

2、测速原理

FMCW 毫米波雷达通常是利用多普勒效应来确定目标的径向速度。当目标向雷达天线靠近时，反射信号频率将高于发射机频率；反之，当目标远离天线而去时，反射信号频率将低于发射机频率。

毫米波雷达测速范围和目标运动方向有关，目标靠近雷达做径向运动，目标速度为负；目标远离雷达做径向运动，目标速度为正。测速精度数据取决于信噪比（衡量雷达接收信号质量的单位）。信噪比高不高，是衡量毫米波雷达的目标检测性能是否强大的根本参数。

3、测角原理

关于毫米波雷达目标方位角的测量，是通过并列的接收天线收到同一目标反射的雷达波相位差计算得到目标的方位角。原理如下图所示：其中方位角可以通过两个接收天线 RX1 和 RX2 之间的几何距离 d 以及两天线收到雷达回波的相位差 b 通过简单的三角函数计算得到。

在角度测量中，毫米波雷达可以通过MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出）天线阵列增加系统虚拟孔径，进而获得更高的分辨率。

（五）系统组成

毫米波雷达系统主要由天线、射频前端组件、数字信号处理器和雷达控制电路等组成。

射频前端组件：负责毫米波信号调制、发射、接收以及回波信号的解调。单片微波集成电路（MMIC）大大简化了雷达系统结构，集成度高、成本低且成品率高，更适合于大规模生产，是目前主流的毫米波雷达射频前端组件集成方式。

数字信号处理器：通过嵌入不同的信号处理算法，提取从前端采集得到的中频信号，获得特定类型的目标信息。毫米波雷达的数字处理主要算法包括：阵列天线波速形成和扫描算法、信号预调理、杂波处理算法、目标检测 / 测量的算法、目标分类与跟踪算法以及信息融合算法。数字信息处理是毫米波雷达稳定性、可靠性的核心。

天线：可以发射和接收毫米波，是毫米波雷达的重要部件，体积小，通常集成在 PCB 板上，按照天线模式可分为远程雷达（开口约 30°，200m）、中程雷达（开口约 60°，100m）和近程雷达（开口约 120°，30m）。

控制电路：根据信号处理器获得的目标信息，结合雷达终端动态信息进行数据融合，最终通过主处理器进行智能处理，对雷达终端前方出现的障碍物进行分析判断，迅速做出处理和发出指令，及时传输给报警显示系统和制动执行系统。

二、毫米波雷达应用

（一）应用范围

毫米波雷达应用范围涵盖车规级、工业级、消费级和医疗级四类。主要应用场景如图所示。

汽车级应用是毫米波雷达最早的商用场景，同时也是当前毫米波雷达最大的应用市场；工业级应用主要包括智能交通、安防监控、智能装备、智能楼宇、工业测量等领域，应用场景最为广泛，同时具备附加值高的特点；消费级应用主要包括智能家居、智慧康养、消费电子等，是近两年兴起速度较快、关注度较高的新兴应用领域，未来具有较大的发展潜力。

（二）使用频率

毫米波雷达有24GHz、60GHz、77GHz、80GHz、120GHz 等频段产品。目前，国内常用的毫米波雷达频段为24GHz、60GHz 和 77GHz 这三个频段。24G 毫米波雷达在各方面性能比较成熟，且成本较低，适用的领域会更广，例如交通、安防、智能家居、康养医疗等等；77GHz 毫米波雷达在精度上相比 24GHz 更高，主要应用于汽车领域，且应用规模已超过 24GHz。

（三）工作体制

根据辐射电磁波方式不同，毫米波雷达主要有脉冲体制以及连续波体制两种。其中连续波又可以分为 FSK（频移键控）、PSK（相移键控）、CW（恒频连续波）、FMCW（调频连续波）等方式，图表中对比了不同工作体制的优势和不足。

 

目前，连续波体制中的调频连续波 FMCW 是主流方案。调频连续波是连续发射调频信号，以测量距离、角度和速度等。调频连续波不仅能同时测出多个目标的距离和速度信息，还可对目标进行连续跟踪。相对其他电磁波雷达，调频连续波雷达的发射功率较低、且成本较低，被毫米波雷达厂商广泛使用。

（四）竞品对比

毫米波雷达具有探测性能稳定、作用距离较长、环境适用性好等特点。与超声波雷达相比，毫米波雷达具有体积小、质量轻和空间分辨率高的特点。与红外、激光、摄像头等光学传感器相比，毫米波雷达穿透雾、烟、灰尘的能力强，具有全天候全天时的特点。各类传感器的优缺点如图表所示。

审核编辑 黄宇