毫米波雷达传感器的基础知识

目录什么是毫米波雷达它的优势是什么核心定义关键优势雷达基本概念FMCW雷达系统框图简化版雷达系统框图测距原理 FMCW调频连续波如何测距混频中频信号与距离多目标分离距离分辨率如何测量速度与处理复杂场景基础测速两啁啾法高级测速帧处理法在相同距离下对多个目标进行速度测量速度分辨率角度检测最大角视野什么是毫米波雷达它的优势是什么核心定义毫米波雷达是使用毫米级波长电磁波的一种雷达技术。系统发射电磁波通过接收被物体反射的回波来测算物体的距离、速度和角度。关键优势体积小波长越短所需天线等组件尺寸越小便于集成。精度高例如工作在76-81GHz的雷达可检测微小至毫米级的移动雷达基本概念最直观的雷达概念可以描述为雷达发射电磁波到达物体并经过物体反射之后返回到雷达接收通过接收到的信号对目标的距离、速度、角度以及特征进行计算。与传统脉冲雷达不同FMCW雷达持续发射频率线性增加的信号称为“啁啾”信号。FMCW后续的一切信号处理依靠的都是啁啾信号。“啁啾”信号频率随时间变化啁啾信号频率随时间变化图FMCW雷达系统框图FMCW系统原理图简化版雷达系统框图FMCW雷达框图合成器生成一个啁啾波。发射天线啁啾信号由发射天线传输。接收天线啁啾信号被物体反射后会在接收天线捕获到反射的啁啾波。混频器讲接收信号和发射信号组合产生中频IF信号。测距原理FMCW调频连续波如何测距信号调制模块控制压控振荡器VCO产生调频波其中常用的调制信号有三角波和锯齿波。输出的理想调频信号首先由功分器模块处理功分器将部分发射信号用作混频器使用的本振信号。随后经功率放大器PA放大后通过发射天线发射。接收天线接收目标反射的回波信号经过低噪声放大器LNA后与输入混频器的发射信号进行混频再经过滤波放大得到中频差拍信号进行A/D采样对离散化的中频信号进行后续数字信号处理从而得到目标信息。混频接收到的回波延时后的啁啾与当前发射的啁啾在混频器中结合产生一个中频IF信号。中频信号与距离中频信号的频率是发射前和发射后同一个啁啾信号的频率差值。啁啾信号回波延迟可表示为中频信号的频率与目标距离成正比。距离越远回波延时越大产生的中频频率越高。公式为s为啁啾斜率d为距离c为光速IF信号是在TX信号与RX信号同时出现在混频器中才开始有的TX和RX信号的相位差可以表示为、、经过一些数学推导这个公式也可以写作最终的中频信号可以表示为截止目前我们都是在雷达识别到一个目标的基础上分析的实际情况会更复杂。多目标分离如果一个啁啾信号发射出去打到了多个目标这个多个目标反射回来的啁啾信号都会进入到混频器来生成多个中频信号。多个物体会产生多个不同频率的IF信号通过傅里叶变换可以在频谱上形成对应不同距离的峰值。每一个峰值就表示在特定距离处存在物体我们这里不考虑IF信号对目标速度的依赖性。这在快速FMCW雷达中通常影响较小而且一旦完成了多普勒-FFT处理后这种影响还可轻易加以修正。距离分辨率距离分辨率是指区分两个或多个目标的能力。当两个目标逐渐靠近时在某个时刻雷达系统将无法再将它们分辨为独立的个体。傅里叶变换理论表明通过增加中频信号的长度可以提升分辨力。要延长IF信号还必须按比例增加带宽。延长的IF信号会产生一个有两个分离峰值的IF谱。为什么增加中频信号的长度可以提升分辨率...点击查看元宝的回答https://yb.tencent.com/s/Ckzlhx2TmQrt傅里叶变换理论还指出观测窗口T可以分辨间隔超过1/THz的频率分量。这意味着只要频率差满足下面给出的关系就可以分辨两个IF单音信号:观测时间长度,这里我们进行距离测量时你可以理解为一个chirp时间:频率分辨率S:调频斜率由于,经过数学推导后距离分辨率就只取决于啁啾所扫过的带宽因此带宽越大的雷达它的距离率就会越高。例如4GHz的啁啾信号带宽对应3.75cm的测距分辨率如何测量速度与处理复杂场景基础测速两啁啾法两啁啾法测速发射两个间隔时间为Tc的啁啾。对每个啁啾做距离-FFT就是我们前面对多个目标做的FFT在相同距离单元上两个峰值的相位差对应物体的移动速度。相位差公式由可以推导为接着我们就可以推导出速度公式为因为我们是依靠相位差来计算速度的这就会有一个分辨率问题相位差必须满足因为我们定义的相位差是【-ΠΠ】如果相位差是240°不在这范围里面它会被处理成-120°强行放到范围内很明显这是不对的。那我为什么不定义成0-2Π呢定义成 02Π 你就不能探测另一个方向的位移了|△中|π为什么是这个点击查看元宝的回答https://yb.tencent.com/s/nkNQmVqc6H9r带入刚刚的速度公式我们可以得出测量的最大相对速度就是想要测更高的速度需要更短的chirp间隔时间此方法存在速度模糊问题且无法处理同一距离上多个不同速度的物体。如果用两啁啾算法去测量同意距离2个目标的...点击查看元宝的回答https://yb.tencent.com/s/ceTlp8nZzJP8高级测速帧处理法在相同距离下对多个目标进行速度测量如果测量过程中同时存在多个具有不同速度的移动物体且这些物体均处于与雷达相同距离的位置上那么采用双调啾速度测量方法将无法奏效。由于这些物体处于相同距离它们将生成具有相同中频频率的反射调啾。因此通过距离-FFT处理得到的将是单一峰值这代表的是来自所有这些等距物体的综合信号。一种简单的相位比较技术在此情况下将失效。为了测量速度雷达系统必须发送超过两个啁啾信号。它发送一组N个等间距的啁啾信号。这一组啁啾信号被称为啁啾帧。图7显示了调啾帧中频率随时间的变化情况。啁啾帧下面用使用两个距离雷达等距但速度不同的物体V1和V2为例来描述处理技术Range-FFT对反射的啁啾序列进行处理最终得到一组N个位置完全相同的峰值但每个峰值的相位都有所不同这包含了来自两个对象这2个对象之间的距离是小于雷达的距离分辨率的的相位贡献每个对象的个体相位贡献分别由图中的红色和蓝色相量表示。发射帧发射一组N个等间隔的啁啾称为一帧。反射啁啾帧的范围FFT结果产生N个相量二维FFT也可以称为多普勒FFT可以在刚刚的N个相位里面分离这两个物体。距离-多普勒处理先对每个啁啾做距离-FFT得到距离信息。再对N个啁啾在同一距离单元上的复数峰值序列做第二次FFT称为多普勒-FFT从而在速度维度上分离出同一距离上的多个目标。多普勒雷达分离同一距离不同物体的速度和对应的就是这2个物体各自的连续的啁啾信号的相位差、速度分辨率离散傅里叶的理论告诉我们如果N是chirp数量则两个离散频率可以被分辨。同时相位差在上面的公式是这样的同时帧时间为那么就可以推导出最后的速度分辨率,可以看出雷达的速度分辨率与帧时间成反比。角度检测角度估计在我的另一篇博客里有更清晰的讲解。基本原理利用多个接收天线之间的波程差导致的相位差来估算角度。FMCW雷达系统可以估算反射信号与水平面之间的角度如图所示。这个角度也被称为到达角(AoA)。角度估计算法基于这样一种观察结果物体距离发生微小变化时会导致距离-FFT或多普勒-FFT峰值发生相位变化。这一结果被用于进行角度估计算法方法至少需要使用两个接收天线如下图所示。物体与每个天线之间的相对距离差异会导致FFT峰值发生相位变化。这种相位变化使得用户能够估算出角度方向。双天线估计AoA示意图简单的对相位进行一个推导我们可以得到在平面波的假设之下通过基础理论我们可以得到I是接收天线之间的距离一般是半个波长这两个公式合到一起我们可以推出这里有一个要注意的点依赖与。这中依赖被称为非线性依赖关系。只有当的值很小时才能用线性函数近似。所以呢估计精度取决于AoA当他的值越小时精度越高。AoA估计示意图视角与精度最大视角由天线间距决定。当天线间距为半波长时可获得最大±90°的无模糊视角。测量精度角度估计的精度与角度本身有关在小角度时更精确。最大角视野雷达的最大角视野由雷达可估计的最大AoA定义。最大角视野示意图角度无歧义测量要求对应的有接着我们可以推出当2个接收天线的间距为时的天线所能获得的最大角视野为参考雷达基本原理探测时空的电磁回声_哔哩哔哩_bilibili