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講清車載毫米波雷達基本概念

2022-02-27 11:18:26·  來源：汽車ECU開發(fā)  作者：趙孔瑞  
　
首先給大家介紹車載毫米波雷達基本概念。重點從通俗易懂的角度向大家介紹毫米波雷達基本原理、最大探測距離和距離分辨率、最大測速范圍和速度分辨率、最大測角范
首先給大家介紹車載毫米波雷達基本概念。重點從通俗易懂的角度向大家介紹毫米波雷達基本原理、最大探測距離和距離分辨率、最大測速范圍和速度分辨率、最大測角范圍和角度分辨率。

1 毫米波雷達原理

毫米波雷達利用發(fā)射信號和接收信號之間的頻率差來進行測距、測速，利用天線陣元之間的相 位差來進行測角。毫米波雷達系統(tǒng)框圖如下圖所示：
圖1 毫米波雷達系統(tǒng)框圖
（1）毫米波雷達首先通過信號發(fā)生器（圖中LO Gen.）產(chǎn)生我們所需要的雷達信號波形，如現(xiàn)在常用的快速鋸齒波或者叫線性調(diào)頻連續(xù)波（FMCW），這時被產(chǎn)生的信號還是基帶信號，不能夠直接發(fā)射出去，還需要多級變頻調(diào)制處理，將產(chǎn)生的雷達波形信號調(diào)制到76GHz~77GHz之間，經(jīng)過放大器（PA）放大之后，再經(jīng)發(fā)射天線（TX）輻射到空間中去。目前77GHz常用的FMCW波形示意圖如下圖所示：


圖2 FMCW雷達波形示意圖
實際雷達工作波形并沒有圖2這么理想，真正的雷達工作波形將在后面貼上。毫米波雷達在一個工作周期內(nèi)或者一幀內(nèi)（簡稱一個frame）發(fā)射一連串的FMCW信號，一個FMCW就是一個Chirp。如圖2所示，一個frame由N個Chirp組成。
（2）由發(fā)射天線輻射的雷達信號照射到空間目標之后，再反射到雷達處，被接收天線（RX）接收，經(jīng)過低噪聲放大（LNA）之后，與參考信號（即雷達發(fā)射信號）進行混頻，得到復基帶信號（I路信號和Q路信號）。經(jīng)低通濾波之后，通過ADC采樣得到離散的復基帶信號。車載雷達RF模塊與軍用雷達由3大不同，首先，車載雷達RF模塊現(xiàn)在高度集成化的，集成在一個RF芯片上，而軍用雷達的RF是由多個分離式的單元組成；其次，車載雷達為了降低成本，采用的是模擬混頻和模擬低通濾波，直接得到基帶信號，而軍用雷達是采用數(shù)字混頻和數(shù)字帶通濾波，得到的是帶有一定載頻的中頻信號，然后采用高速ADC進行采樣得到數(shù)字中頻信號；第三，在混頻部分，目前除TI采用I/Q正交混頻外,英飛凌和NXP為了降成本，采用的是I單路混頻，如圖3所示。軍用雷達目前普遍采用I/Q正交混頻。所以英飛凌和NXP這兩家的基帶信號強度要比TI的低3dB，但是省掉Q路的混頻硬件模塊和對應的ADC。


圖3 只有I路混頻的雷達系統(tǒng)結構圖
發(fā)射信號和接收信號的混頻如下圖所示：
圖4 單目標情況下的混頻結果示意圖
從圖4可見，對單個目標而言，混頻后得到的基帶信號是一個頻率固定的近似正弦信號。當存在多個目標情況下，基帶信號將是多個不同頻率的正弦信號的疊加。
(3) ADC采樣后的數(shù)字信號在DSP中完成相應的信號處理。雷達信號處理流程如圖5所示：
圖5 雷達信號處理鏈路流程圖
信號處理的具體步驟包括：
1）2D-FFT：首先對每個RX通道的每個frame內(nèi)的數(shù)據(jù)進行2D-FFT處理（R-D處理），得到每個通道的距離-多普勒譜。這個2D-FFT譜是一個復數(shù)結果，不能直接進行目標位置和速度信息的提取。因此，我們要進行非相干積累處理。
2）非相干積累：即對每個通道對應的2D-FFT結果取模平方值，然后所有通道的2D-FFT取模平方結果的對應位置求和后平均，得到一張合成后的R-D譜。這就完成了非相干積累處理。合成的R-D譜上的每一個峰值代表一個可能的目標或干擾。非相干積累的目標有2個：首先，是提高信噪比，提高檢測精度；其次，平滑噪聲，降低CFAR階段的誤檢率。
3）CFAR檢測：根據(jù)非相干積累結果進行恒虛警檢測，得到這一幀內(nèi)所有可能的目標。所有被檢測出來的目標并不一定都是真實目標，有可能是很強的雜波干擾。被檢測出來的干擾目標可以在目標跟蹤階段進行濾除。根據(jù)CFAR檢測的可能目標在R-D譜上的對應位置，可以計算出目標的距離和速度信息。
4）角度估計：CFAR完成后雖然得到了每個可能目標的位置和速度信息，但是還沒有得到目標的角度信息。為得到每個目標的角度信息，需要利用每個目標在所有接收通道上的對應R-D譜位置上的數(shù)據(jù)，通過DBF或者空間譜估計方法盡心角度估計，進而得到目標角度信息。
上述步驟完成了對每個目標的距離、速度和角度信息的計算，利用這些信息可以進行聚類和跟蹤等處理，進一步得到目標的軌跡信息以及尺寸和類型信息。
接下來為大家介紹一些雷達威力范圍和性能指標的計算和評估方法。

2 雷達威力范圍和性能指標

1）雷達最大探測距離
雷達工作參數(shù)決定了雷達最大探測距離，有兩種方法可以分析和計算雷達最大探測距離：基于雷達方程的方法和基于雷達調(diào)頻斜率的方法。首先我們介紹基于雷達方程的最大探測距離估計方法。
假定雷達通過天線往球面空間均勻輻射能量，發(fā)射天線功率為 Pt，發(fā)射天線增益為 Gt ，那么距離處雷達輻射的功率密度為：
pt=(PtGt)/(4πR2)
在距離 R 處，雷達輻射的部分能量被目標截獲，假定目標散射截面積（RCS）為σ，那么被目標截獲的功率為
Pσ=σ*pt=(PtGtσ)/(4πR2)
這部分能量又輻射到空間任意方向上去，重新輻射到雷達天線處的功率密度為：
Pr=Pσ/(4πR2)=((PtGtσ)/(4πR2))*(1/4πR2)
此時，有部分能量被雷達接收天線接收，假定雷達接收天線的接受面積為 Ae，那么雷達天線接收的信號功率為：
Pr=Ae*pr=((PtGtσ)/(4πR2))*(Ae/4πR2)
假定雷達接收機靈敏度（最小可檢測信號）為 Smin，那么當 Pr=Smin 時，對應的雷達探測距離R就是雷達的最大可探測距離：
Smin=Pr=((PtGtσ)/(4πR2))*(Ae/4πR2)
即


從上面推導可見，最大探測距離不僅與發(fā)射功率和發(fā)射天線增益有關，還與目標 RCS和接收機靈敏度有關。目標RCS是個很玄的東西，到現(xiàn)在業(yè)內(nèi)都沒人說清RCS是怎么回事，它的機理是什么。因為RCS因素的影響，顯著增大了雷達最大探測距離評估的復雜度。因此，不確定因素太多，基于雷達方程來進行最大探測距離評估和計算不是最好的方法。
另一種最大探測距離計算方法比較簡單，只與調(diào)頻斜率和雷達RF的中頻帶寬。由于RF芯片由中頻帶寬限制，所以雷達發(fā)射和接收信號在混頻后，RF芯片接收通道最大可接收的差頻信號頻率不超過中頻帶寬的最大值，所以車載雷達最大可探測距離可以表示為：


其中
為 IFmax RF芯片的最大中頻帶寬；
S為FMCW調(diào)制斜率；
c是光速。
因此，在車載雷達系統(tǒng)方案設計時，最大可探測距離可以用第二種方法來計算。
2）雷達距離分辨率
距離分辨率的概念是:在角度和速度相同的條件下，能夠將兩個目標區(qū)分開來的最小距離間隔。FMCW雷達信號處理中，通常用2D-FFT來進行距離-多普勒處理。所以我們從離散傅里葉變換角度推導距離分辨率如何計算。假定距離維處理時，每個Chirp的有效采樣長度為Ta。那么進行傅里葉變換后，對應的頻率分辨率為1/Ta 。因此，在距離維上可以區(qū)分兩個目標的條件是，它們的頻率間隔 △f 必須大于1/Ta ，即


又因為頻率間隔△f與對應的距離間隔△d之間的關系為


由此可得


其中 B=S x Ta為有效帶寬。
所以距離分辨率為


再次強調(diào)的是，B是有效帶寬，即距離維上你實際采樣點數(shù)所占時間長度所對應的調(diào)制帶寬。不是你雷達工作時的整個雷達波形掃頻帶寬，因為在實際采樣過程中，往往對每個Chirp周期內(nèi)的數(shù)據(jù)掐頭去尾，丟掉質(zhì)量不好的起始端和末尾段數(shù)據(jù)，有效帶寬往往小于雷達工作時的掃頻帶寬，如下圖所示。
圖6 雷達掃頻帶寬與實際有效帶寬的關系
3）最大不模糊速度
不模糊測速范圍表示雷達的最大測速能力。假定雷達發(fā)射兩個Chirp的FMCW信號，Tc為Chirp周期，如下圖所示。


圖7 兩個Chirp的FMCW信號
假定空間中只有一個目標，目標運動速度為,那么紅色Chirp和藍色Chirp之間因為速度引起的距離徙動為 2vTc ，之所以不是vTc，是因為雷達信號往返有雙程差。因此，兩個Chirp因為速度引起的相位差為


由此可得


通?！鳓盏慕^對值小于π，因此，最大不模糊速度為


所以當Chirp周期為Tc時，雷達測速范圍為 -vmax < v < vmax 。
4）速度分辨率
與距離分辨率相類似，速度分辨率表征區(qū)分兩個不同速度目標的能力。因為求解目標目標速度時，是在慢時間維上進行FFT處理，F(xiàn)FT點數(shù)為一個frame內(nèi)的Chirp數(shù)目。假定一個frame內(nèi)的Chirp數(shù)為N，則速度分辨率為


5）最大測角范圍與角度分辨率
毫米波雷達的最大測角范圍與雷達陣列的陣元間距有關。接收陣元接收空間反射回來的信號，相當于在空間維上進行空間采樣。雷達天線陣列如下圖所示：
圖8 雷達天線陣列示意圖
假定雷達接收天線陣元間距為L，在角度處有一個目標。那么對于該目標θ，相鄰兩個接收陣元之間的相位差為


其中△d=L*sin(θ) ，那么


由此推導得到




因此，當陣元間距等于半波長，即 L=λ/2時，對應的最大不模糊測角范圍為 -π/2~+π/2 。
類似的，假定雷達接收陣元數(shù)目為
，那么角度分辨率為


其中,D為接收陣列天線孔徑。 
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