无人驾驶传感器融合系列(五)——毫米波雷达测速原理(77GHz FMCW)

无人驾驶传感器融合系列(五)——毫米波雷达测速原理(77GHz FMCW)

本章摘要:介绍调频连续波(FMCW),如何进行测速,测速范围,测速分辨率如何计算。

一、傅里叶变换

对时域信号进行傅里叶变换,不仅可以得到信号的频率特征,例如下面峰值处对应的值,还可以得到对应频率处复平面内,相应的相位角,此相位角对应于起始位置处角度。
无人驾驶传感器融合系列(五)——毫米波雷达测速原理(77GHz FMCW)_第1张图片
那么根据上面的性质,两个信号频率相同,只是起始位置不同,傅里叶变换依然可以区分出来相位角。
无人驾驶传感器融合系列(五)——毫米波雷达测速原理(77GHz FMCW)_第2张图片

二、IF signal信号的相位角

关于IF signal 信号的理解,可以参见上一章毫米波雷达测距原理。比如某一状态,得到如下IF signal 信号:
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在上面状态的基础上,如果物体在Δt 的时间段内,移动了一小段距离Δd,则 IF signal 信号相位发生了如下变化:
无人驾驶传感器融合系列(五)——毫米波雷达测速原理(77GHz FMCW)_第4张图片

三、相位角对距离的敏感性

当物体的距离d发生微小的变化时,IF signal 信号的相位变化非常明显。而频率的变化并不显著,远远达不到在Tc时间内,区分信号的频率。例子分析如下:

无人驾驶传感器融合系列(五)——毫米波雷达测速原理(77GHz FMCW)_第5张图片
距离d发生微小的变化,傅里叶变换后,频率无法区分开来,但是相位变化明显。
无人驾驶传感器融合系列(五)——毫米波雷达测速原理(77GHz FMCW)_第6张图片

四、根据相位角的变化测速

根据上面的相位改变公式,可以求得两个chirp之间的相位改变率公式如下。然后求出相位角变化率,就可以得到物体的速度了。
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五、傅里叶变换求得相位变化率

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六、角速度分辨率的计算

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七、测速范围的计算

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八、在相同距离的多物体测速

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九、测速分辨率的计算

无人驾驶传感器融合系列(五)——毫米波雷达测速原理(77GHz FMCW)_第13张图片

十、2D FFT

通过这两章测距、测速的讲解,可以看出在单chirp上的FFT变换,可以求得距离range;在不同chirps间的FFT变换,可以求得速度,展示如下:
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后续

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上面解决了测速的问题,多物体在同一距离,根据速度的不同,依然可以分辨处不同物体。但是当距离相同,速度也相同的不同物体,却难以分辨了。下一章毫米波雷达方位角估计将会讲解如何测量物体的角度,通过角度的不同来分辨不同的物体。

参考文献:mmWave系列培训,视频讲的非常好,建议看看视频加深理解。

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