毫米波雷达原理及调研报告
毫米波雷达原理及调研报告
毫米波雷达是自动驾驶领域的重要传感器技术，通过发射和接收毫米波信号来获取目标物体的距离、速度、方位角和高度等信息。本文将详细介绍毫米波雷达的工作原理及其在自动驾驶领域的应用，帮助读者深入了解这一关键技术。
毫米波雷达基本原理
毫米波雷达（mmWave Radar）采用毫米波作为电磁波发送信号，捕捉并处理电磁波经过路径障碍物的反射信号后可获取目标物体的 速度、距离、方位角和高度 等信息。波长为1～10毫米的电磁波称毫米波，它位于微波与远红外波相交叠的波长范围，因而兼有两种波谱的特点。一般工作频率为 76–81GHz（对应波长约为 4mm）的毫米波系统将能够检测小至 零点几毫米 的移动。
电磁波发射原理
毫米波雷达测距中，一个帧的基本参数包括Tc（Chirp 周期）、B（扫频带宽）、S（调频斜率）、Tf（周期）、N（一个帧内包含的 Chirp 数）、Fs（ADC采样率）。
Chirp信号：是一个频率随着时间线性增加的正弦波，其在振幅时间表示中，如下所示。
把它换到频率时间图中，可以看到是一个 斜率S的直线。起始时刻fc=77GHz，在Tc 40微妙的时间中跨越4GHz的带宽，B与S是定义系统性能的重要参数。
调频连续波毫米波雷达的工作过程：首先是合成器生成一个Chirp信号，然后通过TX天线发射，同时发送一份数据给混频器，遇到物体反射之后通过RX天线接收回波信号在混频器中生成一个中频信号。
TX为发射信号，RX为接收信号。两者之间有一个时间延迟τ。
距离分辨率取决于毫米波雷达Chirp信号的带宽。
毫米波雷达在工作过程中会先对IF信号进行一个低通滤波，然后由ADC（analog to digital converter，模拟信号转换成数字信号）进行数字化，接着被发送到DSP（digital signal processing，数字信号处理器）中进行傅里叶变换估算物体的距离，以及进行后续其他估算物体速度、到达角等信息。
距离测量（Range-FFT）
在发射天线的一个chirp发射时间0~Tc内，接收天线也接收信号，记录下每个接收到信号的时刻，并完成裁剪信号以及混频操作，此时混频器输出的是由若干个正弦波叠加的模拟信号。
绘制上述信号的频谱。以采样率Fs在RX最晚接收到信号的时间τ→Tc时间区间内进行上述信号的ADC采样，注意采样率必须大于2倍的最大中频信号频率。采样完成后进行FFT运算可以提取出频谱图中的峰值，即可所有的IF信号中的频率，每个频率可以换算出目标的距离。
速度测量（Doppler-FFT）
当有两个同一距离上的目标时，仅仅依靠测距是无法将其分辨开的，如果不同目标拥有相对于雷达不同的速度，则可以通过测速将其分辨开。根据多普勒效应，不同速度目标的回波信号会在频域上有一定的频移。速度分辨率与每个周期的发射时长、每帧的个数有关，也即与每个帧的时长有关。
方位角测量（Angle-FFT）
当多个物体与雷达的距离一致，而且相对方向也一样，那么2D－FFT就不能分辨出，只能通过方位角来分隔出物体。测量物体的方位角，需要多根天线完成。
毫米波雷达硬件概述
完整的毫米波雷达系统包括发送 (TX) 和接收 (RX) 射频 (RF) 组件，以及时钟等模拟组 件，还有模数转换器 (ADC)、微控制器 (MCU) 和数字信号处理器 (DSP) 等数字组件。
发射部分：毫米波雷达首先通过信号发生器产生FMCW(Frequency Modulated controlled Wave)信号（基带信号）后，经过多级变频调制处理使得波形信号调制76GHz~77GHz之间，再经PA(Power Amplifier)放大后由TX发射到空间中。
接收部分：RX接收到反射来的雷达信号后通过LNA(Low Noise Amplifier)及混频处理后得到复基带信号，通过低通滤波以及ADC(Analog to Digital Converter)采样将其转化为离散复基带信号。
混频器：是一个功能性电子器件，其作用是将发射天线（TX:transmitter）及接收天线（RX:receiver）的信号合成一个新的信号，将原来频率较高的两个射频信号转化为一个频率较低的（中频信号IF: Intermidinate frequency）。这样一来混频器输出的IF信号就可以满足频率信号恒定。
广视场角检测原理：
MIMO（多输入多输出）技术不仅依赖于发射天线的方向变化，还通过多个发射天线和多个接收天线的组合，形成一个虚拟天线阵列。虽然每个发射天线可能在相同方向上发射，但通过改变发射信号的时间序列或相位组合，不同天线的发射可以形成不同的方向特性，从而达到探测不同角度的效果。
电磁波的辐射特性：
当需要长的探测距离时，控制天线的波速，使主瓣变长，但能量是一定的，主瓣会变的细，从而使视角变小。因此，前向雷达长距短视场角。当需要大的探测范围时，使主瓣变宽，同理长度会变窄。因此，角雷达短距大视场角。简单总结：长距必须减小视场角，大的视场角必须距离短。
4D毫米波雷达
原理概述
4D指的是在原有的距离、角度、速度三个维度基础上增加了高度信息。相比传统毫米波雷达仅能判断出前方有障碍物，4D毫米波雷达增加了纵向天线及处理器，可以接收更多信息返回点，并像激光雷达一样呈点云图，能呈现出更多细节信息，探测出障碍物的形状，弥补了传统雷达难以识别静态障碍物的短板。相比摄像头而言，4D毫米波雷达有更多的天线数，更高的角度分辨率、速度分辨率和距离分辨率，可以在没有激光雷达参与的情况下更有效地解析目标的轮廓、类别、行为。
4D毫米波雷达配备了纵向天线，并且天线的数量比以往更多，利用MIMO（多输入多输出）技术，发射天线和红色框的接收阵列协同工作，在垂直方向上形成了一种虚拟孔径阵列，从而实现了高度方向上的测量，能够提供目标的高度信息。
参数与性能指标
4D毫米波雷达探测性能包括距离、速度、方位角、俯仰角四个方面：
在距离探测中，主要性能指标包括最大探测距离、距离精度、距离分辨率，主要影响因素ADC采样率、调频斜率、输出功率、扫频带宽和信噪比等。
在速度探测中，主要性能指标包括最大探测速度、速度精度、速度分辨率，主要影响因素是Chirp周期、有效帧周期和信噪比等。
在方位角探测中，主要性能指标包括视场角、角度精度、角度分辨率，主要影响因素是天线间距、方位角和天线个数等。
在俯仰角探测中，主要性能指标包括最大俯仰角、俯仰角精度和俯仰角分辨率；主要影响因素是天线间距、方位角和天线个数等。