自动驾驶（四十六）---------毫米波雷达简介

       目前自动驾驶中激光雷达应用还有很多瓶颈，毫米波雷达在自动驾驶中目前依然无可替代，既然如此就必须好好理解毫米波雷达的原理，因为要想利用好这些传感器，第一步就是理解，知己知彼百战不殆，当下毛衣战升级，汽车销量严重下滑，可谓殷鉴不远，必须常备不懈。

1. 毫米波雷达是什么

       通常将波长为1～10毫米的电磁波称毫米波，车载毫米波雷达工作的频段为24GHz和77GHz，少数国家（如日本）采用60GHz频段。车载毫米波雷达通过天线向外发射毫米波，接收目标反射信号，经后方处理后快速准确地获取汽车车身周围的物理环境信息，然后根据所探知的物体信息进行目标追踪和识别分类，进而结合车身动态信息进行数据融合，最终通过（ECU）进行智能处理。

       电磁波有几种特性，当电磁波遇到不同介质时会发生反射、吸收、透射、衍射等现象，毫米波主要是利用电磁波的反射，通过发送和接收电磁波的时间计算反射物体的位置，波长越长，越容易发生透射和衍射现象，而波长越短，则很容易被反射。目前主要是24HZ，未来会采用77HZ和79HZ的，频率越高，波长越短，反射性越好，分辨率越高。

2. 车载毫米波雷达工作体制

        根据辐射电磁波方式不同，毫米波雷达主要有脉冲体制以及连续波体制两种工作体制。其中连续波又可以分为FSK(频移键控)、PSK（相移键控）、CW(恒频连续波)、FMCW(调频连续波)等方式。FWCW雷达是最常用的车载毫米波雷达。能同时测出多个目标的距离和速度信息，可对目标连续跟踪，系统敏感性高，错误报警率低；不易受外界电磁噪声的干扰；测量距离远，分辨率高；所需发射功率低；成本较低；信号处理难易程度及实时性可达到系统要求。

                            

        FMCW雷达系统主要包括收发天线、射频前端、调制信号源和信号处理模块等。

1. FMCW调制信号发生器经过压控振荡器（VCO）产生高频信号（GHz级别），一部分能量耦合输入混频器作为本振信号，另一部分能量经功率放大器（PA）由发射天线以电磁波的方式向空中辐射。
2. 电磁波在空气中向前方传播过程中如遇到目标则会小部分反射，反射回来的回波信号被接收天线截获形成电信号。
3. 回波信号经低噪声放大器（LNA）放大，与本振信号在混频器进行混频， 输出一个较低的差拍频率（一般为MHz级别），差频信号含有目标和雷达之间的距离和相对速度等信息。
4. 然后通过带通滤波器（BPF）放大滤波，A/D转换，对所得到的数字信号作FFT（快速傅氏运算），进行频谱分析，便可以获得目标和雷达之间的距离、相对速度及方位角等信息。
5. 最后经由控制电路做出危险状况的判断，向驾驶员发出预警，或结合环境情况对汽车做出主动干预。

                                          

       把毫米波雷达安装在汽车上，可以测量从雷达到被测物体之间的距离、角度和相对速度等。毫米波雷达目前主要应用于中高端车型，随着大众对汽车主动安全性能的认可度增加，ADAS相关产品将逐渐向低端车型普及。

3. 毫米波雷达的检测、测距、测速和角度测量

      毫米波和大多数微波雷达一样，有波束的概念，也就是发射出去的电磁波是一个锥状的波束，而不像激光是一条线。这是因为这个波段的天线，主要以电磁辐射，而不是光粒子发射为主要方法。优点，可靠，因为反射面大，缺点，就是分辨力不高。

      电磁波在空气中传播时间3*10^8m/s；判断有没有目标很简单，判断回波有没有就行了。测距也简单，都是基于TOF原理，但是我们说电磁波的传播速度是光速，所以这个带来了一定的挑战。刚才我们说毫米波雷达作用距离都不太远，比如我们说汽车或者无人机，那么探测距离就很近，回波和发射波间隔就非常短，所以一般并不太适合使用简单的发射脉冲方式，所以现在主要是用FMCW方式较多。

      毫米波雷达测速和普通雷达一样，有两种方式，一个基于dopler原理，就是当发射的电磁波和被探测目标有相对移动、回波的频率会和发射波的频率不同。通过检测这个频率差可以测得目标相对于雷达的移动速度。但是这种方法无法探测切向速度，第二种方法就是通过跟踪位置，进行微分得到速度。

     毫米波雷达的侧向，雷达对目标方位的探测主要基于一种方法，就是使用较窄的波束。因为当目标出现在波束里，我们一般没有办法判断目标具体在这个波束内部的那个方向，所以我们必须把波束做窄，当然能和激光一样最好，但是这个很难。那么把波束做窄，有几种方法，一种使用有向天线，比如喇叭天线或者透镜天线。还有一种方法，就是使用多根天线+阵列信号处理的方法。对于毫米波来讲，由于波长很短，所以我们做很多根天线的代价就很小（这个代价指价格、尺寸），所以毫米波雷达大量使用阵列天线的方式来构成窄波束，能多窄呢？比如3度，5度这样，是汽车常用的。当然这个和激光还不能比，但是已经很好了。