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      自動駕駛系統入門(三) - 毫米波雷達

      2020-12-26

      1、毫米波雷達基礎解析

      1.1 什么是毫米波雷達


      1)工作在毫米波波段(millimeter wave )探測的雷達。工作頻段一般為30GHz ~ 300 GHz, 波長 1~10mm,介于微波和厘米波之間,兼具有微波雷達和光電雷達的一些優點;

      2)毫米波雷達相比厘米波雷達具有體積小、易集成和空間分辨率高的特點。

      3)車載毫米波雷達的工作頻率為一般為 24GHz 和77GHz ;


      1.2 毫米波雷達的基本結構

      硬件核心:MMIC芯片和天線PCB板,以FMCW車載雷達系統為例,主要包括:天線、收發模塊、信號處理模塊;


      1)前端單片微波集成電路(MMIC) ( 供應商:英飛凌、飛思卡爾 、廈門意行和南京米勒;)它包括多種功能電路,如低噪聲放大器(LNA)、功率放大器、混頻器、甚至收發系統等功能;

      特點:電路損耗小、噪聲低、頻帶寬、動態范圍大、功率大、附加效率高、抗電磁輻射能力強等特點;


      2)雷達天線高頻PCB板:毫米波雷達天線的主流方案是微帶陣列,即將高頻PCB板集成在普通的PCB基板上實現天線的功能,需要在較小的集成空間中保持天線足夠的信號強度。


      1.3 毫米波雷達基本工作原理

      1)利用高頻電路產生特定調制頻率(FMCW)的電磁波,并通過天線發送電磁波和接收從目標反射回來的電磁波,通過發送和接收電磁波的參數來計算目標的各個參數。

      2)可以同時對多個目標進行測距、測速以及方位測量;測速是根據多普勒效應,而方位測量(包括水平角度和垂直角度)是通過天線的陣列方式來實現的。


      毫米波雷達基本工作原理示意圖

      1.4 毫米波雷達的工作體制

      1)工作體制 :根據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波體制兩種工作體制。其中連續波又可以分為FSK(頻移鍵控)、PSK(相移鍵控)、CW(恒頻連續波)、FMCW(調頻連續波)等方式。


      毫米波雷達不同工作體制

      2)FMCW調頻連續波雷達的不同調制形式:

      a、正弦波調制 b、鋸齒式波調制 c、三角波調制


      不同調頻方式的雷達硬件構成基本相同,只有小部分電路模塊、電路參數與信號處理算法有所區別;對于單個靜止物體的測量,鋸齒波調制方式即可滿足;對于運動物體,多采用三角波調制方式;

      1.5 毫米波雷達測距、側速、測方位角原理簡介


      測距:(TOF)通過給目標連續發送毫米波信號,然后用傳感器接收從物體返回的毫米波,通過探測毫米波的飛行(往返)時間來得到目標物距離。

      測速:根據多普勒效應,通過計算返回接收天線的雷達波的頻率變化就可以得到目標相對于雷達的運動速度,簡單地說就是相對速度正比于頻率變化量。

      測方位角:通過并列的接收天線收到同一目標反射的雷達波的相位差計算得到目標的方位角;


      2、 4D毫米波雷達解析

      2.1 什么是3D雷達:


      1)其信號天線只在二維方向上排布,因此其對目標的探測只有二維水平坐標(x,y),沒有高度信息(z);再加上通過多普勒效應探測到的物體速度信息。輸出量即為:X / Y/ V

      2)目前量產應用的車載毫米波雷達均為3D雷達;

      2.2 4D雷達:(供應商:美國傲酷)


      1)水平與垂直方向上,都布置了天線,因此能夠額外實現對物體高度的探測,謂之4D;輸出量:輸出X、Y、Z坐標和速度矢量;

      2)可以檢測不同高度,不同水平面上的運動物體


      2.3 4D雷達研發難點及遇到的問題:


      1)在有體積要求的毫米波雷達上,垂直與水平方向天線緊密排布會相互產生嚴重的信號干擾,這需要長期的經驗積累開發的算法予以解決;

      2)雷達信號接收量大大增加,對模數轉換器(ADC)的性能要求將會增加;

      3)信號處理算法的可靠性、實時性需要保證,傳統的毫米波雷達ECU可能無法勝任大規模點云的處理。


      4)數據存儲需求將會加大,需要額外添置存儲單元。

      3、24GHz和77GHz毫米波雷達對比分析

      3.1 24GHz頻段


      1)24.0GHz到24.25GHz的頻段是窄帶(NB),帶寬為250MHz,常用于工業、科學和醫學方面。其中,24GHz頻帶還包括一個帶寬為5GHz的超寬帶(UWB)。


      24GHz 毫米波雷達應用頻段示意圖

      2)在短程雷達中,24GHz頻段的NB和UWB雷達已經應用于傳統的汽車傳感器上。通常NB雷達可以完成盲點檢測等簡單應用,但在大多數情況下包括超短距離的情況下,由于高頻分辨率的需求,需要使用UWB雷達。

      3)但是由于歐洲電信標準化協會(ETSI)和聯邦通信委員會(FCC)制定的頻譜規則和標準,UWB頻段將很快被逐步淘汰。2022年1月1日以后,UWB頻段將無法在歐洲和美國使用,只有窄帶ISM頻段可以長期使用。


      3.2 77GHz頻段

      1)其中76-77GHz頻段可用于遠程車載雷達,并且該頻段有等效同性各向輻射功率(EIRP)的優勢,可用于前端遠程雷達,例如自適應巡航控制。


      77GHz 毫米波雷達應用頻段示意圖

      2)77-81GHz短程雷達(SRR)頻段是新加入的頻段;這個頻段最近在全球監管和行業采用情況方面都獲得了顯著的吸引力。

      3)該頻段可提供高達4 GHz的寬掃描帶寬,非常適合需要高范圍分辨率(HRR)的應用。

      3.3 車載24GHz與77GHz毫米波雷達性能對比:


      1)頻率不同,24GHz毫米波雷達的波長大于10cm,嚴格來講屬于厘米波雷達;

      2)相比于24GHz,77GHz同時滿足高傳輸功率和寬工作帶寬,同時滿足這兩點使其可以同時做到長距離探測和高距離分辨率;

      3)相比于24GHz,77GHz在物體分辨率、測速和測距精確度具有顯著優勢;

      4)相比于24GHz,77GHz雷達體積更小,其波長不到24GHz的三分之一,所以收發天線面積大幅減小,整個雷達尺寸有效下降;


      4、毫米波雷達速度分辨率、距離分辨率、角精度、距離精度解讀

      4.1 距離分辨率:(用于兩個或者兩個以上目標)


      在雷達圖像中,當兩個目標位于同一方位角時,但與雷達的距離不同時,二者被雷達區分出來的最小距離則是距離分辨率。雷達的距離分辨率是由脈沖的寬度決定的,也就是說,可以通過減小脈沖寬度以達到期望的距離分辨率,這需要較大的帶寬。


      4.2 距離精度:(用于描述雷達對單個目標距離參數估計的準確度)

      測距精度,它是由回波信號的信噪比SNR決定的。


      4.3 角分辨率:(雷達的方位角分辨率一般指水平角分辨率(azimuth resolution))

      雷達在角度上區分鄰近目標的能力,通常以最小可分辨的角度來度量。雷達的角度分辨率取決于雷達的工作波長λ和天線口徑尺寸L,約為λ/(2L)。


      例如:方位角分辨率為1.6°的意思就是,當兩個物體在空間上需要至少相距1.6°,才能被雷達在水平角度上區分開來。若兩個物體相距小于1.6°,那么在角度方向上,兩物體會重合;


      4.4 角精度:(用于描述雷達對單個目標方位角估計的準確度?)

      具體解析待以后補充。


      5、毫米波雷達目標特性解讀

      5.1 目標探測能力具有獨特優勢:


      a、縱向目標探測距離與速度探測能力強;

      b、可實現遠距離感知與探測;

      c、對于靜態和動態目標均能作出高精度測量;


      5.2 當前毫米波雷達目標探測劣勢:

      1)無法成像,無法進行圖像顏色識別;

      2)對橫向目標敏感度低,例如:對橫穿車輛檢測效果不佳;

      3)行人反射波較弱,對行人分辨率不高,探測距離近;

      4)對高處物體以及小物體檢測效果不佳;

      5.3 相比于攝像頭和激光雷達,毫米波雷達的優勢:


      1)全天候、全天時工作特性 - 不論晝夜,不受天氣狀況限制,即使雨雪天都能正常工作;

      2)環境適應性強,不良天氣環境下仍能正常工作 - 穿透能力強,雨、霧、灰塵等對毫米波雷達干擾較??;

      3)測速,測距能力強;

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