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自动驾驶感知——毫米波雷达

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1. 雷达的基本概念

    无线电探测及测距（Radio Detection and Ranging）， 发射电磁波并接收目标反射的回波信号，通过对比发射信号与回收信号，获取目标的位置、速度等信息。

1.1 毫米波雷达分类

    雷达的分类
• 所发射电磁波的频段，决定了雷达的基本性能特点
• 超视距雷达、微波雷达、毫米波雷达、激光雷达、…
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  • 按照用途分类:军用，气象，导航，车载
  • 按照波长分类:米，分米，厘米，毫米
  • 按照波形分类:脉冲，连续波

按照波长和用途分类

  • 长波雷达(米，分米)，分辨率低，穿透性强
    ➢一般用于广播，军事预警，卫星通讯等:
  • 短波雷达(厘米，毫米)，分辨率高，穿透性差
    ➢一般用于测绘，短程通讯，车载应用等

按照波形分类

  • 脉冲雷达
    ➢通过脉冲发送和接收的时间差来确定目标的距离
    ➢不能确定目标的速度
  • 连续波雷达
    ➢发射信号在时间上是连续的
    ➢发射信号的频率是随着时间变化的(调频连续波)

1.2 信息的传输

◼ 调制：将调制信号（待传输信息）混合到载波信号（起到载运作
用的信号）的过程，可分为调频，调幅，调相。
◼ 解调：相反的过程，即从混合信号中恢复出待传输信息。
◼ 带宽：调制信号频谱的宽度，带宽高有利于传输更多数据。
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  • 毫米波雷达使用的电磁波波长介于1-10mm，波长短、频段宽，比较 容易实现窄波束，雷达分辨率高，不易受干扰
  • 早期被应用于军事领域，随着雷达技术的发展与进步，毫米波雷达传 感器开始应用于汽车电子、无人机、智能交通等多个领域。

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1.3 毫米波雷达的信号频段

频率24GHz77GHz
探测范围 探测距离短，探测角度(FOV)大探测距离长，探测角度小
频段限制24GHz频段因与其他无线电设备共享，必须限制发射功率独占频段
带宽小于1GHz可达4GHz
优势在中短距测距有明显优势；探测范围FOV更大波长更短波束更窄；识别精度高且穿透力更强；带宽更大可兼顾远中近不同场景
代表产品大陆 ARS208，Hella 24GHz角雷达大陆 ARS408，BOSCH LRR4

1.4 毫米波雷达工作原理

    在车载毫米波雷达中，目前主要有三种调制方案：调频连续波（Frequency
Modulated Continuous Wave, FMCW），频移键控（Frequency Shift Keying, FSK）以及相移键控（Phase Shift Keying, PSK）。
    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.

⚫ 测距测速是通过分析发射和接收的调频连续之间的区别来实现
⚫ 测量角度是通过计算不同天线单元之间的延时差来计算

1.4.1 毫米波雷达测速测距的数学原理

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    这里首先分析 自动驾驶感知——毫米波雷达 时收发信号的关系。在调频连续波雷达中，本振信号的频率在半个周期内是随时间成线性关系变化的，即自动驾驶感知——毫米波雷达    其中 自动驾驶感知——毫米波雷达 是初始时刻的频率，自动驾驶感知——毫米波雷达 是频率随时间变化的斜率。因为频率是相位关于时间 自动驾驶感知——毫米波雷达 的导数，因此相位可以表示为频率关于时间 自动驾驶感知——毫米波雷达 的积分，即自动驾驶感知——毫米波雷达    其中 自动驾驶感知——毫米波雷达 是初始相位，因此本振信号关于时间的表达式可以写成自动驾驶感知——毫米波雷达    其中 自动驾驶感知——毫米波雷达 是本振信号的幅度，由于该本振信号的频率是随时间呈连续周期性变化的，所以称之为调频连续波，本振信号经过功率放大器（Power Amplifier, PA）放大后，由天线发射到自由空间中，这里把 PA 和天线的总增益记为 自动驾驶感知——毫米波雷达，则发射信号为自动驾驶感知——毫米波雷达    该信号经过空气传播到目标表面，被目标反射，最后由接收机接收，信号往返的传播时间为 自动驾驶感知——毫米波雷达，若雷达和目标的距离为自动驾驶感知——毫米波雷达，则自动驾驶感知——毫米波雷达    其中 自动驾驶感知——毫米波雷达 为电磁波在空气中的传播速度，自动驾驶感知——毫米波雷达 是初始距离，自动驾驶感知——毫米波雷达 为雷达和目标间的相对速度。
    电磁波在空气中传播和被目标反射的过程也会带来一定损耗，损耗系数记作 自动驾驶感知——毫米波雷达，则接收信号可以表示为自动驾驶感知——毫米波雷达    这里再介绍以下混频的概念：
混频：输出信号频率等于两输入信号频率之和、差或其他组合的电路。
常用方法：自动驾驶感知——毫米波雷达

    接收信号经过低噪声放大器（Low Noise Amplifier, LNA）放大后，与本振信号进行混频。混频后的信号包含了高频分量和低频分量，将该信号通过一个低通滤波器可得（假设通带内的增益为单位增益）：自动驾驶感知——毫米波雷达    求导，即可求出中频频率（混频后的信号经低通滤波后所得低频分量，又叫中频频率 自动驾驶感知——毫米波雷达(intermediate frequency)为，是RX与TX之差。）自动驾驶感知——毫米波雷达在这里插入图片描述

1.4.2 毫米波雷达测角度的数学原理

     一对收发机所采集到的信号是不具备角度信息的， 因此需要采用多路发射多路接收的架构，或者采用相控阵架构。
    短波长和小天线孔径就很有必要了，
•短波长意味着波束更窄，能量更加集中；
•更小的孔径尺寸意味着系统上能集成更多的天线单元
     这些都有利于提高角分辨率。在这里插入图片描述

天线阵列示意图

1.4.3 硬件接口

⚫ 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
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1.4.4 关键零部件

毫米波雷达的天线接发系统
• PCB板实现MMIC(单片微波集成电路)
• 包括接收电路单元，负责发射与接收连续调频波
毫米波雷达的信号处理芯片
• 包含信号处理器和算法芯片
• 完成回波信号处理与目标感知结果的计算

1.4.5 数据的协议与格式

传输层协议：网口UDP/IP协议，或者CAN接口

  • 控制器局域网总线（CAN，Controller Area Network）是一种用 于实时应用的串行通讯协议总线

数据格式：按照CAN编码机制，确定雷达的输入配置信息与输出数据格式

  • CAN报文
    13个字节 信息段（5Byte）+数据段（8Byte）
    数据段按照事先规定好的报文规则进行编码和解码
  • CAN报文解析使用方法
    在这里插入图片描述
  • Header(数量n)
  • +n个数据消息(距离/角度/速度)
  • +n个质量消息(数据的方差)(1≤n ≤ 256）

1.5 车载毫米波雷达的重要参数

常见参数：

  • 测量性能 测距范围
    距离/水平角/速度 分辨率 (可对两个物体进行区分的最小单位)
    距离/水平角/速度 精度 (测量不确定性)

  • 操作条件 雷达发射功率、传输能力、电源、功耗、操作温度

1.6 车载毫米波雷达的三种典型应用

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2. FMCW雷达的工作流程

PS：此部分主要是为了简单理解FMCW雷达的工作原理，是对第一章内容的补充。
    总结一下，FMCW雷达的工作流程：

  • 合成器生成一个线性调频信号 ;
  • 发射天线( TX )发射线性调频信号;
  • 接收天线( RX )捕获目标对线性调频信号的反射;
  • 混频器将RX和TX信号合并到一-起，生成一个中频(IF )信号。
    在这里插入图片描述

2.1 线性调频脉冲信号

对于一个脉冲信号

  • 信号的频率随时间的变化线性升高
  • 起始频率自动驾驶感知——毫米波雷达,持续时间自动驾驶感知——毫米波雷达，带宽自动驾驶感知——毫米波雷达,频率变化率自动驾驶感知——毫米波雷达
    在这里插入图片描述

2.2 混频器

作用：将TX和RX的信号合并生成一个新的信号IF

TX发射信号：自动驾驶感知——毫米波雷达
RX接收信号：自动驾驶感知——毫米波雷达
中频信号IF：自动驾驶感知——毫米波雷达

对于单个静止目标，RX和TX脉冲 之间的时间差是固定为自动驾驶感知——毫米波雷达。因此，频率差也是固定的，也就是说IF是一个频率恒定的单音信号。IF的自动驾驶感知——毫米波雷达自动驾驶感知——毫米波雷达用以估计速度和距离。

2.3 单目标距离估计

PS：此处估计为了简要分析，雷达与目标的相对速度为0.

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从上式可以看出，最大探测距离自动驾驶感知——毫米波雷达受限于自动驾驶感知——毫米波雷达的最大值，自动驾驶感知——毫米波雷达受限于以下两个因素：

  1. 带宽自动驾驶感知——毫米波雷达:自动驾驶感知——毫米波雷达,因此自动驾驶感知——毫米波雷达
  2. IF信号的采样频率自动驾驶感知——毫米波雷达:自动驾驶感知——毫米波雷达
    假设一个chirp内的采样频率为自动驾驶感知——毫米波雷达,自动驾驶感知——毫米波雷达,可得
    自动驾驶感知——毫米波雷达

最大探测距离主要受限于自动驾驶感知——毫米波雷达，并且与自动驾驶感知——毫米波雷达成反比

2.4 多目标距离估计

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  • 来自三个目标的RX接收信号，每个信号有不同的延时，延时和与目标的距离成正比。
  • 不同的RX接收信号转化为多个单音信号，每个信号的频率差是恒定的(自动驾驶感知——毫米波雷达
  • 混频器输出的是多个单音信号的叠加。对该信号进行FFT操作，会产生一个具有不同的峰值的频谱，每个峰值表示在特定距离处的目标。

距离分辨率是指雷达能区分两个不同目标的最小距离。傅里叶变换理论指出:观测时间窗口T,可以分辨间隔超过自动驾驶感知——毫米波雷达 Hz的频率分量。因此，两个目标反射信号频率差的差值需要满足自动驾驶感知——毫米波雷达根据测距公式：自动驾驶感知——毫米波雷达可以得到最小分辨距离自动驾驶感知——毫米波雷达因此，从式子中我们可以得到提高分辨率的方法：提高带宽自动驾驶感知——毫米波雷达,延长chirp信号。

2.5 单目标速度估计

FMCW雷达会发射两个间隔自动驾驶感知——毫米波雷达的线性调频脉冲(两个Chirp) ，相应的IF信号为:在这里插入图片描述

  1. 在一个chirp时间（自动驾驶感知——毫米波雷达）内，目标的移动距离可以近似看成不变。
  2. TX与RX的频率基本不变：自动驾驶感知——毫米波雷达

相位计算公式：自动驾驶感知——毫米波雷达其中，自动驾驶感知——毫米波雷达是发射信号频率，自动驾驶感知——毫米波雷达是时间延迟，自动驾驶感知——毫米波雷达是发射信号波长，自动驾驶感知——毫米波雷达是目标距离。
相位变化为自动驾驶感知——毫米波雷达用自动驾驶感知——毫米波雷达估算，得到相位变化为自动驾驶感知——毫米波雷达,较大。
因此得到速度的估计公式：自动驾驶感知——毫米波雷达限制自动驾驶感知——毫米波雷达时有效，则得到自动驾驶感知——毫米波雷达
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2.6 多目标速度估计

发射一组M个等间隔线性调频脉冲(M个Chirp),
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  • 如果目标距离相同，速度不同，M个频谱的峰值相同，但相位不同，包含来自多个目标的相位成分。
  • 如果目标距离不同，速度不同，M个频谱都会出现多个峰值，每个峰值的相位都不同。

对M这个维度进行FFT处理(速度FFT) ，可以分离多个相位分量。
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参考文献

[1] Milovanovic Vladimir M… On fundamental operating principles and range-doppler estimation in monolithic frequency-modulated continuous-wave radar sensors[J]. Facta universitatis – series: Electronics and Energetics,2018,31(4).

声明

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