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一文帶你了解毫米波雷達

傳感器專家網(wǎng) ? 來源:3d tof ? 作者:3d tof ? 2024-03-06 16:50 ? 次閱讀

一、毫米波雷達簡介

(一)定義

雷達是英文 Radar 的音譯,源于 Radio Detection and Ranging 的縮寫,原意是“無線電探測和測距”,即用無線電方法發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測定它們在空間的位置。毫米波雷達是指一種工作在毫米波頻段(millimeter wave)的雷達傳感器

國際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布的《無線電規(guī)則》(2020 年)和我國《無線電頻率劃分規(guī)定》中,將無線電頻率在 30-300GHz 的頻段(波長 1-10mm)稱呼為毫米波頻段。

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無線電及毫米波頻段劃分圖

目前國內(nèi)使用的 24GHz、60GHz、77GHz、80GHz 等雷達產(chǎn)品統(tǒng)歸為毫米波雷達。

(二)基本特性

作為雷達系列中的高頻段產(chǎn)品,毫米波雷達具有頻帶寬、波長短、大氣傳播損耗較大等基本特性,各特性對應(yīng)的優(yōu)缺點概括如下圖所示。

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從上表可以看出,毫米波雷達具有顯著的實用優(yōu)勢,但需要說明的是,我們并不是否定其他傳感器的作用,毫米波雷達的大氣傳播損耗較大,適用于近距離場景,而在遠(yuǎn)程和超遠(yuǎn)程應(yīng)用中,微波雷達仍然是探測目標(biāo)的主力軍。微波、毫米波、紅外、激光等系統(tǒng)的作用應(yīng)該是互補的、缺一不可的。

(三)核心功能

毫米波雷達的核心功能包括測距、測速、測方位角、微動探測和4D 成像等,通常雷達系統(tǒng)是通過同時測量2-3 個功能參量而構(gòu)成一個應(yīng)用產(chǎn)品。圖表列舉了每種功能的典型應(yīng)用及功能介紹。

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(四)基本原理

毫米波雷達三個基礎(chǔ)的系統(tǒng)功能為距離測量、速度測量和角度測量。以 FMCW 雷達系統(tǒng)為例,其基本功能實現(xiàn)原理為:

1、測距原理

FMCW 毫米波雷達的測距主要是利用發(fā)射信號和回波信號之間的時延 td,結(jié)合毫米波傳播速度 c、以及目標(biāo)和雷達的相對速度 v 推算出毫米波雷達和檢測目標(biāo)的相對距離 R 。

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毫米波雷達具有較高的距離分辨率和測距精度,且可以通過后端算法實現(xiàn)毫米級的精確測距。

毫米波雷達測距能力與發(fā)射功率、天線增益、天線波束角和物體反射截面積等因數(shù)有關(guān)。通常發(fā)射功率越大,天線增益越高、天線波束角越窄以及物體反射截面積越大,雷達能夠檢測到的有效回波就越強,測量距離就越遠(yuǎn)。

2、測速原理

FMCW 毫米波雷達通常是利用多普勒效應(yīng)來確定目標(biāo)的徑向速度。當(dāng)目標(biāo)向雷達天線靠近時,反射信號頻率將高于發(fā)射機頻率;反之,當(dāng)目標(biāo)遠(yuǎn)離天線而去時,反射信號頻率將低于發(fā)射機頻率。

毫米波雷達測速范圍和目標(biāo)運動方向有關(guān),目標(biāo)靠近雷達做徑向運動,目標(biāo)速度為負(fù);目標(biāo)遠(yuǎn)離雷達做徑向運動,目標(biāo)速度為正。測速精度數(shù)據(jù)取決于信噪比(衡量雷達接收信號質(zhì)量的單位)。信噪比高不高,是衡量毫米波雷達的目標(biāo)檢測性能是否強大的根本參數(shù)

3、測角原理

關(guān)于毫米波雷達目標(biāo)方位角的測量,是通過并列的接收天線收到同一目標(biāo)反射的雷達波相位差計算得到目標(biāo)的方位角。原理如下圖所示:其中方位角可以通過兩個接收天線 RX1 和 RX2 之間的幾何距離 d 以及兩天線收到雷達回波的相位差 b 通過簡單的三角函數(shù)計算得到。

在角度測量中,毫米波雷達可以通過MIMO(Multiple-Input Multiple-Output,多輸入多輸出)天線陣列增加系統(tǒng)虛擬孔徑,進而獲得更高的分辨率。

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(五)系統(tǒng)組成

毫米波雷達系統(tǒng)主要由天線、射頻前端組件、數(shù)字信號處理器和雷達控制電路等組成。

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射頻前端組件:負(fù)責(zé)毫米波信號調(diào)制、發(fā)射、接收以及回波信號的解調(diào)。單片微波集成電路(MMIC)大大簡化了雷達系統(tǒng)結(jié)構(gòu),集成度高、成本低且成品率高,更適合于大規(guī)模生產(chǎn),是目前主流的毫米波雷達射頻前端組件集成方式。

數(shù)字信號處理器: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(biāo)信息。毫米波雷達的數(shù)字處理主要算法包括:陣列天線波速形成和掃描算法、信號預(yù)調(diào)理、雜波處理算法、目標(biāo)檢測 / 測量的算法、目標(biāo)分類與跟蹤算法以及信息融合算法。數(shù)字信息處理是毫米波雷達穩(wěn)定性、可靠性的核心。

天線:可以發(fā)射和接收毫米波,是毫米波雷達的重要部件,體積小,通常集成在 PCB 板上,按照天線模式可分為遠(yuǎn)程雷達(開口約 30°,200m)、中程雷達(開口約 60°,100m)和近程雷達(開口約 120°,30m)。

控制電路:根據(jù)信號處理器獲得的目標(biāo)信息,結(jié)合雷達終端動態(tài)信息進行數(shù)據(jù)融合,最終通過主處理器進行智能處理,對雷達終端前方出現(xiàn)的障礙物進行分析判斷,迅速做出處理和發(fā)出指令,及時傳輸給報警顯示系統(tǒng)和制動執(zhí)行系統(tǒng)。

二、毫米波雷達應(yīng)用

(一)應(yīng)用范圍

毫米波雷達應(yīng)用范圍涵蓋車規(guī)級、工業(yè)級、消費級和醫(yī)療級四類。主要應(yīng)用場景如圖所示。

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汽車級應(yīng)用是毫米波雷達最早的商用場景,同時也是當(dāng)前毫米波雷達最大的應(yīng)用市場;工業(yè)級應(yīng)用主要包括智能交通、安防監(jiān)控、智能裝備、智能樓宇、工業(yè)測量等領(lǐng)域,應(yīng)用場景最為廣泛,同時具備附加值高的特點;消費級應(yīng)用主要包括智能家居、智慧康養(yǎng)、消費電子等,是近兩年興起速度較快、關(guān)注度較高的新興應(yīng)用領(lǐng)域,未來具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

(二)使用頻率

毫米波雷達有24GHz、60GHz、77GHz、80GHz、120GHz 等頻段產(chǎn)品。目前,國內(nèi)常用的毫米波雷達頻段為24GHz、60GHz 和 77GHz 這三個頻段。24G 毫米波雷達在各方面性能比較成熟,且成本較低,適用的領(lǐng)域會更廣,例如交通、安防、智能家居、康養(yǎng)醫(yī)療等等;77GHz 毫米波雷達在精度上相比 24GHz 更高,主要應(yīng)用于汽車領(lǐng)域,且應(yīng)用規(guī)模已超過 24GHz。

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(三)工作體制

根據(jù)輻射電磁波方式不同,毫米波雷達主要有脈沖體制以及連續(xù)波體制兩種。其中連續(xù)波又可以分為 FSK(頻移鍵控)、PSK(相移鍵控)、CW(恒頻連續(xù)波)、FMCW(調(diào)頻連續(xù)波)等方式,圖表中對比了不同工作體制的優(yōu)勢和不足。

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目前,連續(xù)波體制中的調(diào)頻連續(xù)波 FMCW 是主流方案。調(diào)頻連續(xù)波是連續(xù)發(fā)射調(diào)頻信號,以測量距離、角度和速度等。調(diào)頻連續(xù)波不僅能同時測出多個目標(biāo)的距離和速度信息,還可對目標(biāo)進行連續(xù)跟蹤。相對其他電磁波雷達,調(diào)頻連續(xù)波雷達的發(fā)射功率較低、且成本較低,被毫米波雷達廠商廣泛使用。

(四)競品對比

毫米波雷達具有探測性能穩(wěn)定、作用距離較長、環(huán)境適用性好等特點。與超聲波雷達相比,毫米波雷達具有體積小、質(zhì)量輕和空間分辨率高的特點。與紅外、激光、攝像頭等光學(xué)傳感器相比,毫米波雷達穿透霧、煙、灰塵的能力強,具有全天候全天時的特點。各類傳感器的優(yōu)缺點如圖表所示。

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審核編輯 黃宇

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