毫米波雷达简介

毫米波雷达简介

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1. 概述

1.1 发展历史

RADAR是++RA++dio ++D++etection ++A++nd ++R++anging的缩写。


1936年1月，英国架起了第一个雷达站，用于监测德国战机。从此之后，雷达技术开始蓬勃发展。


雷达的频段很广，从HF波段到Y波段都有不同的应用。


汽车上主要使用24G、77G、79G这几个频段。



雷达的应用非常广泛，例如在无人机、液位检测、机器人、智能交通和智能汽车中都有广泛的应用。


1.2 在汽车上的主要应用

车载毫米波雷达的研究始于20世纪60年代，研究主要在以德、美、日等发达国家内展开。早期车载毫米波雷达发展缓慢，而随着微电子技术的发展，使得产品小型化、集成化成了可能，雷达开发进程开始提速。21世纪后随着汽车市场需求增长产业进入蓬勃发展阶段，未来将会继续加快渗透 。


目前市面上各种各样的车载毫米波雷达：


汽车上毫米波雷达主要包括前向雷达、角雷达和门雷达。


主要实现BSD、LCA、RCTA、DOW、RCW等L0自动驾驶功能，以及在ACC、NOA等L1~L2自动驾驶功能中实现重要的目标感知。


1.3 基本指标

毫米波雷达基本指标主要是距离、速度和角度（水平角和垂直角）的范围、精度和分辨率，一共是12个指标。


分辨率越高，表示目标的区分能力越高，探测越精细。


距离分辨率

毫米波雷达的带宽越高，距离分辨率就越高。



角分辨率

角分辨率是指当两个目标相对于雷达有相同的距离和速度时，能够被雷达识别为2个目标的最小的夹角。角分辨率根据方向不同，分为水平角分辨率和垂直角分辨率。

角分辨率越高，目标的区分能力越高，探测越精细。例如当角分辨率小的时候，无法区分3个行人：


角分辨较大的时，可以区分：


对汽车也是类似的：


经常提到的“4D毫米波雷达”是相对于“3D毫米波雷达”增加了垂直角度的检测。因此，“4D毫米波雷达”可以检测高度信息。


2. 毫米波雷达的基本原理

2.1 基本架构

毫米波雷达通过发射电磁波，以及接收目标反射的电磁波，来实现目标检测。毫米波雷达的探测原理类似蝙蝠或者海豚，只不过雷达发射的是电磁波，蝙蝠和海豚发出的是超声波。


毫米波雷达的系统原理如下：


其中：

1. FMCW调制信号发生器经过压控振荡器（VCO）产生高频信号（GHz级别），一部分能量耦合输入混频器作为本振信号，另一部分能量经功率放大器（PA）由发射天线以电磁波的方式向空中辐射。

2. 电磁波在空气中向前方传播过程中如遇到目标则会小部分反射，反射回来的回波信号被接收天线截获形成电信号。

3. 回波信号经低噪声放大器（LNA）放大，与本振信号在混频器进行混频，输出一个较低的差拍频率（一般为MHz级别），差频信号含有目标和雷达之间的距离和相对速度等信息。

4. 然后通过带通滤波器（BPF）放大滤波，A/D转换，对所得到的数字信号作FFT（快速傅氏运算），进行频谱分析，便可以获得目标和雷达之间的距离、相对速度及方位角等信息。

如下是BOSCH的第四代毫米波雷达的结构：


图片来源：BOSCH

2.2 测距和测速原理

距离通过测量时间差得到，速度通过计算多普勒频移得到。



算法流程：


图片来源：NXP


图片来源：NXP

1. 距离维：对于单个Chirp信号来说，信号包含了（距离/速度）信息，但以距离为主（由于时间非常短，忽略速度，或者后面增加补偿），可以通过FFT直接求出距离信息。

2. 速度维：将距离微分称一个个距离单元。对于其中一个距离单元，我们以一个Chirp一个Chirp的时间轴来看，对该信号作FFT处理，即可求出其速度信息。


图片来源：NXP

2.3 测角原理

使用比相法，计算目标DOA（ Direction of Arrival ），得到目标的角度。


图片来源：NXP


图片来源：NXP

3. 毫米波雷达硬件

3.1 天线

毫米波雷达的天线有多种形式，目前应用最广的是平面相控阵天线。



电磁波的辐射特性：


3.2 高频板材

毫米波雷达的高频板材供应商和关键特性：


PCB的常见Layout：


3.3 射频收发链路

早些年，射频链路是有离散器件搭建，难度很大，只有BOSCH、DELPHI等几个大公司能做，并且形成了技术壁垒，价格非常昂贵。不过，近些年随着MMIC的出现，迅速降低了设计门槛和成本。


MMIC：++M++onolithic ++M++icrowave ++I++ntegrated ++C++ircuit，单片微波集成电路。包括多种功能电路，如低噪声放大器（LNA）、功率放大器、混频器、上变频器、检波器、调制器、压控振荡器（VCO）、移相器、开关、MMIC收发前端，甚至整个发射/接收（T/R）组件（收发系统）。


MMIC的主要供应商


MMIC的工艺发展历程：


3.4 雷达专用处理器

雷达专用处理器主要有国外品牌垄断，以NXP、TI等为代表。


NXP的S32R29x