汽车电子 -- 毫米波雷达

参看：自动驾驶感知——毫米波雷达

一、雷达分类

• 按信号形式：脉冲体制、连续波体制等
• 按测量参数：测速雷达、成像雷达等
• 按扫描方式：机械扫描、电子扫描（数字波束形成、相控阵）等
• 按工作方式：多普勒雷达、合成孔径雷达（SAR）等
• 按信号频率：短波、微波（包括毫米波）、太赫兹、（激光）等
• 按信号带宽：窄带雷达、宽带雷达、超宽带雷达等

二、雷达基本工作原理

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。

三、雷达测量原理

• 测距：电磁波在空气中以光速传播，对于不同距离的目标，电磁波返回时间与距离成正比。
• 测速：电磁波拥有频率属性，对于不同相对速度的目标，回波会产生多普勒频移，其频率变化量与相对速度成正比。
• 测角：单个接收天线不能测角，多个接收天线回波之间的相位差，与目标相对于雷达的方向角有一定对应关系。

四、汽车雷达系统组成

• 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
  

五、汽车毫米波雷达概述

• 雷达频段：24GHz、77GHz（76-77）、79GHz（77-81）。
• 应用领域：ADAS（高级辅助驾驶系统）、无人驾驶系统等。
• 应用功能：ACC（自适应巡航）、AEB（自动紧急刹车）、FCW（前向碰撞预警）、RCW（后向碰撞预警）、BSD（盲区检测）等。
• 安装位置：前方、侧方、后方、侧后方等。
• 作用距离：远距、中距、近距、中近距等。
• 国外厂商：博世（Bosch）、大陆（Continental）、德尔福（Delphi）、奥托立夫（Autoliv）、海拉（Hella）、电装（Denso）等。

六、车载毫米波雷达的重要参数

参看资料：
TI的FMCW毫米波雷达培训
毫米波雷达在汽车和工业中的应用（入门必读教程）

常见参数

• 探测距离 （车辆0.5m ~ 200m 行人0.5m ~ 70m）
• 距离向精度 （±0.15 m）
• 距离向分辨率 ( 0.5 m)
• 测速范围 ( -260 km/h ~ 130 km/h)
• 测速精度 (±0.1 m/s)
• 测速分辨率 ( 0.3 m/s)
• 方位向视场角 (±5°@ 200 m ±15°@ 100 m ±22°@ 60 m ±45°@ 30 m)
• 方位向角精度 ( ±0.3°@ 0°)
• 方位向角分辨率 （3°~ 7°）
• 俯仰角探测范围 （-6°~ 6°）
• 最多目标数量 64
• 刷新率 （50ms）

指标分解

1、工作频段

2、探测距离

参看：雷达--------探测距离、分辨力、距离精度、方位精度、抗干扰力
这部分，只做了解。我是看不懂这些公式的。。。

关于探测距离首先先从来了解一下雷达方程的简单行式。

上式中右侧第一项表示的是增益为Gt的天线辐射功率为Pt在离雷达距离R处的功率密度。右侧第二项的分子σ是目标截面积（平方米），是目标返回雷达方向的能量的度量；分母表示回波信号能量在返回向雷达的途径上随距离的发散程度（为目标截面积）。这两项相乘得到的是每平方米上返回雷达的功率。Ae称为有效孔径面积。Pr为接收功率。所以求得的雷达的最大作用距离应为接收功率Pr等于雷达最小可检测信号Smin时雷达的探测距离。所以：

其中与发射增益Gt一样还有接收天线增益Gr。而接收天线增益Gr与有效孔径面积Ae的关系为：

将3式代入2式中可得：

其中λ为雷达的信号波长。上式中的Smin受噪声以及系统的限制。可表示为：

其中k为玻尔兹曼常数，T0为噪声温度、B为接收系统等效带宽、Mn为识别系数、Ls是系统损耗、Nf为噪声系数。

3、距离向精度和距离分辨率

参看：毫米波雷达入门知识

距离分辨率是在距离维上能够将两个距离很近的目标区分开的能力。而距离精度是单个目标测距精度这一点要区别开。关于距离分辨率这个我们先看图，图中的-3dB指的是3dB带宽，如果有不懂的可以直接网上搜一下这个概念还是很简单明了的。

fb和fb+δf是两个目标的中频频率，其实距离分辨率就是求得图中的δf，推导过程如下所示，总得来说，其实距离分辨率就是一个RF（射频带宽B）的函数，大家可以自己求一下看看是不是表中的这个情况。
C是光度；B是射频带宽；

而距离精度通常是距离分辨率的一小部分，它跟SNR信噪比有关。公式如下：

4、最大速度

在快速调频连续波(FMCW)调制中的最大无模糊速度取决于线性调制周期——更高的速度需要更陡的斜坡。最大速度的公式如下，λ是波长，Tc是chirp持续时间（包含chirp间时间）：

对于给定的最大距离和距离分辨率，较高的最大速度需要较高的中频带宽。三者关系如下所示,这三个参数是相互矛盾的关系。距离分辨率要高，那带宽就要大，但是带宽变大，最大距离就会受到限制，如果调频斜率不变，带宽变大会引起调频周期变长，引起最大不模糊速度降低。

高级的算法技术通常用于增加最大速度不模糊度，用于将混叠速度解析为真实的速度。速度模糊就是速度混叠，原因就是速度采样率太低，也就是Tc的时间太长。

5、速度分辨率与速度精度

速度分辨率与速度精度的区别和距离分辨率与距离精度一样，速度分辨率是在速度维能够区分两个目标的能力，而速度精度是一个目标在速度上的测量精度。前面我们知道距离分辨率取决于RF的带宽，距离精度取决于SNR。那么速度分辨率和速度精度由什么来决定的呢？我们接着往下看。

N为一帧中chirp的数量，Tc上面也提到过是chirp周期（包含帧间时间）。由因为帧周期=N*Tc。那么速度分辨率主要取决于谁就能一眼看出来（速度分辨率与帧时间成反比）。

然后我们看一下速度精度的公式：

它其实和距离分辨率一样也是取决于SNR ，同样速度精度通常也是速度分辨率的一部分。另外给出一个速度分辨率和帧周期的表格。大家可以按照这个计算一下练练手。

6、角度分辨率

其实除了角度分辨率外，还有一个角度范围（FOV），但这个跟天线有关系。
同样角度分辨率与速度、距离分辨率一样，都是将至少两个目标区分开。只不过角度分辨率是通过角度来区分的。
雷达传感器与激光雷达相比，角度分辨率很差。那为啥要用它呢？原因是在距离和速度方向上有很好的分辨率。下面我们给出一个K 个阵列的角分辨率（以弧度为单位）的公式：

从公式可以看出来，当θ=0时，分辨率是最佳的，可以从下面的图中直观的看出，角度越大，分辨单元就越大。

通常我们在计算角度分辨率的时候会假设d=λ/2,θ=0.所以我们通常意义上的角度分辨率计算都是通过这个公式得到的：

同样给出一个角度分辨率和阵列个数的表格供大家参考。