【小鸿带你玩AI】带你认识毫米波雷达的工作原理

带你认识毫米波雷达
第一章文档介绍
1.1.文档目的
无论是低级别的驾驶辅助功能，还是高级别的自动驾驶功能，利用传感器来采集行驶中的各种道路、行人、障碍物等信息都是必不可少的。

常见的车载ADAS 传感器有以下几种：超声波雷达、激光雷达、毫米波雷达和图像传感器（摄像头）。

毫米波雷达传感器因为其波长的物理特性，可以适应暴雨，大雾，烟，粉尘，夜间行车等较为恶劣的环境，同时相比激光雷达又有较大的价格优势，已经成为当前厂家的首选。

目前我们公司的ADAS双预警功能是基于摄像头实现的，但是随着市场对ADAS驾驶辅助性能要求的提高、法规的推进，摄像头和雷达融合方案是一大趋势，因此我们在做摄像头和雷达融合方案市场推广、产品定义之前，需要先了解毫米波雷达。

1.2.文档范围
本文档主要介绍毫米波雷达的现状、定义、分类、特点和工作原理。

第二章概述
2.1.毫米波雷达现状
毫米波雷达在20世纪40年代开始发展，因为其功率较低且传输损耗大，在长距离探测和通信应用上，受到了诸多的限制。

70年代起，大量的公司和研究机构开始利用毫米波雷达进行汽车防撞技术研究，其中包括德国AEG-Telefunken和博世（Bosch）公司，但是由于产品体积较大、成本较高而没有获得市场的认可。

直到80年代后期，相关机构再次启动车载毫米波雷达的研究方案，并于1998年推出第一代汽车雷达，毫米波雷达就被用于汽车的ACC功能了。

2003年开始，用于汽车自动障碍物躲避。

2012年10月，infineon推出24GHz 单片雷达解决方案，11月NXP推出77G雷达发射器芯片，芯片级别的毫米波射频芯片的出
现，使毫米波雷达技术的门槛一下降低了，所有应用打开了一个窗口。

当然，车载毫米波雷达的关键技术主要被国外毫米波雷达供应商垄断，Autoliv、Bosch、Continental、Delphi零部件供应巨头在毫米波雷达技术领域拥有绝对的话语权。

同国外雷达传感器供应商相比，国内车载毫米波雷达仍属于起步阶段。

2.2.毫米波雷达定义
毫米波雷达是指工作在30~300 GHz频段，波长为1~10 mm的雷达，是指利用电磁波来探测目标的一种电子设备。

工作基本过程是：对目标发射电磁波，目标受到照射后反弹，雷达接收其回波，可以快速地测量出目标的距离、速度、角度等信息。

2.3.毫米波雷达的分类
毫米波雷达按采用的毫米波频段不同，分为24 GHz、60 GHz、77 GHz和79 GHz 4个频段，其中，主流可用频段为24 GHz和77 GHz，79 GHz有可能是未来发展趋势。

按探测距离可分为近距离（SRR，小于60 m）、中距离（MRR，100 m左右）和远距离（LRR，大于200 m）3种。

按工作原理可以分为脉冲式和调频式两类，目前大多数车载毫米波雷达都为调频式。

各国车载毫米波雷达的频段分配：
表2-1毫米波雷达的频段分配
下表是根据应用场景，毫米波可以协助实现的不同功能。

毫米波频段的不同，探测距离会有很大差异。

与24 GHz传感器相比，77 GHz传感器可将速度分辨率和精度提高3倍。

另外高频率的主要优势之一就是传感器尺寸可以制作更小。

因此，77GHz毫米波雷达正逐渐成为当前汽车领域的主流传感器。

我们接下来要开发的1V1R架构的ADAS双预警功能，将采用的是77GHz毫米波雷达，测量距离可达到200米左右。

表2-2汽车领域毫米波雷达的应用[2]
2.4.毫米波雷达的特点
毫米波雷达按采用的毫米波频段有其不可替代的优势，例如环境鲁棒性良好，不受光线影响，穿透烟、雾、灰尘的能力强等，也有一定的不足之处。

毫米波雷达数据只能提供距离、速度和角度信息，不能像激光雷达那样提供高度信息。

由于毫米波雷达发出的电磁波对金属极为敏感，在实际测试过程中会发现近处路面上突然出现的钉子、窖井盖，远距离外的金属广告牌都会被认为是障碍物，同时缺乏高度信息，导致雷达数据无法判断该障碍物是否可以越过或穿过，例如窖井盖和广告牌等障碍物。

所以要验证雷达检测的某些障碍物是否实际存在，需要使用摄像头或激光雷达等能准确识别目标类型和测量目标高度的传感器来进行融合验证。

由于激光雷达目前成本过高，目前将毫米波雷达与摄像头进行融合的方案是各大厂商的主流选择，例如特斯拉、奔驰S级等。

表2-3四种传感器的优缺点对比[4]
第三章工作原理
车载毫米波雷达通常采用线性调频连续波体制（Frequency Modulaion Continuous WA VE，FMCW），这是由于线性调频连续波频率随着时间线性增长，信号产生和处理简单，能同时获得较高的距离分辨率和速度分辨率。

在线性调频连续波体制雷达中，锯齿波调制方式检测
精度高，不涉及多目标的匹配问题，能获得更低的虚漏率和漏警率。

图3-1毫米波雷达工作过程示例[2]
3.1.毫米波雷达测距离
图3-2毫米波雷达测距
TOF（time-of-flight）测距方法
信号在这对收发机之间的单向飞行时间Tf=(Tt-Tr)/2，则两点间的距离d=c*Tf（其中c 表示电磁波传播速度）。

简言之：根据发射脉冲和接收的时间差，可以测出目标的距离。

3.2.毫米波雷达测速度
毫米波雷达是基于多普勒效应来测速的，原理：当声音、光和无线电波等振动源与观测者以相对速度v运动时，观测者所收到的振动频率与振动源所发出的频率有所不同。

当发射的电磁波和被探测目标有相对移动，回波的频率会和发射波的频率不同（如图）。

当目标向雷达天线靠近时，反射信号频率将高于发射信号频率；反之，当目标远离天线而去时，反射信号频率将低于发射信号频率。

图3-3雷达由多普勒效应测量相对速度原理[5]
由图中，上升阶段的中频信号频率f b+，和下降阶段的中频信号频率f b-，可由下式获得：
f b+=∆f-f d （3-1）
f b-=∆f+f d （3-2）
式中∆f为目标与发射源相对静止时的中频信号频率，f d为发射信号与回波信号之间的多普勒位移（即f d为由于多普勒频移而带来的差频频率）。

根据上边的式子可得：
f d=(f b--f b+)/2（3-3）
由多普勒效应所形成的频率变化叫做多普勒频移，它与相对速度v成正比，与振动的频率成反比。

由多普勒效应可得：
f d=2f0v /c（3-4）
v=c(f b--f b+)/4f0 =λ(f b--f b+)/4 （3-5）f0和λ分别为发射波中心频率和发射波波长，v为目标和雷达的径向相对速度。

3.3.毫米波雷达测方位角
图3-4毫米波雷达方位角测量原理
如图所示，方位角αAZ由毫米波雷达阵列天线RX1和RX2之间的几何距离d，以及两根毫米波雷达天线所收到反射回波的相位差b，然后通过三角函数计算得到方位角αAZ的值。