毫米波雷达基本介绍

Radar系列文章

传感器融合是将多个传感器采集的数据进行融合处理，以更好感知周围环境；这里首先介绍毫米波雷达的相关内容，包括毫米波雷达基本介绍，毫米波雷达数据处理方法（2D FFT，CFAR，聚类，毫米波雷达障碍物识别实例）等。

系列文章目录

1. 毫米波雷达基本介绍

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毫米波雷达，顾名思义，就是工作在毫米波（Millimeter wave，频率30~300GHz，波长1-10mm）波段的雷达。英文名为Radar（Radio Detection and Ranging），即无线电探测和测距；
与普通雷达相似，Radar通过发射无线电信号并接收反射信号来测量自车与障碍物之间的距离和相对速度。毫米波雷达兼具微波雷达和光电雷达的一些优点，非常适合于自动驾驶汽车领域的应用；由于毫米波雷达具有较好的穿透性，能轻松穿透塑料材质的保险杠或标牌，因此常被安装在汽车保杠或标牌后面。

毫米波雷达传感器

优点：

1. 直接测速，基于多普勒效应，且测速精度高；
2. 全天候全天时工作，不受天气，夜间的影响，可在雨雪，烟雾，粉尘等恶劣条件下工作；
3. 探测精度高，探测距离长（可达150~250m），可满足汽车高速运动时探测较大范围的需求；

缺点：

1. 无法观测Z坐标的数据，只有X，Y，V 3D信息；
2. 角分辨率低，横向运动目标难以识别；
3. 行人反射波较弱，对行人分辨率不高，探测距离近；
4. 对高处物体（标识牌）和小物体（井盖、锥桶）识别效果不佳；

毫米波雷达简介

车载毫米波雷达应用

雷达开始主要应用在飞机上，目前已经广泛应用于汽车ADAS领域中。包括前向ACC自适应巡航系统，AEB自动紧急制动系统，侧向的BSW盲点监测系统，DOW开门报警系统，RCTA后方十字交通报警系统，LCA变道辅助系统等；

雷达在汽车领域的应用

目前汽车应用中主要有24GHz和77GHz两种毫米波雷达，24GHz毫米波雷达成本相对77GHz雷达较低但分辨率也低，主要用于BSW盲区报警，变道辅助等（目前24GHz频段已被收回）。77GHz频段的雷达探测距离相对较远（可达160m以上），尺寸小，成本较激光雷达雷达等低，而且可以直接测速，因此应用最广泛，ACC自适应巡航系统，AEB自动紧急制动系统等功能已经普遍搭载。

毫米波特性

毫米波（Millimeter-Wave）位于微波和远红外波之间，兼具微波制导和光电制导的优点。根据波的传播理论，频率越高，波长越短，分辨率越高，穿透能力越强，但在传播过程中的损耗也越大，传输距离越短；相对地，频率越底，波长越长，绕射能力越强，传输距离越远。所以相对微波，毫米波的分辨率更高，指向性更好，抗干扰能力和探测性能更好。与红外波相比，毫米波的大气衰减小、对烟雾灰尘具有更好的穿透性，受天气影响小。这些特指决定了毫米波雷达具有全天时全天候的工作能力；

毫米波的平均大气吸收曲线
从上图可以看到，毫米波传播时衰减较小的“大气窗口”主要集中在35GHz，45GHz，94G Hz，140GHz，220GHz频段附近。毫米波雷达常见工作频段在24GHz（波长1.25cm，通常也算在毫米波波段），77GHz（波长3.9mm），79GHz三个频段附近，波的传播过程中衰减相对较小，因此可以探测较远距离；

毫米波雷达硬件结构

博世雷达硬件结构

车载雷达具备成本低，体积小，质量轻的优点，可以集成与汽车保杠或前标牌等位置，主要构成如下：

1. Radar Dome 雷达天线罩，保护雷达天线的防水外壳，最小化发射和接收电磁波过程中的电磁波衰减。
2. PCB板，包含收发天线和收发器；
3. DSP信号处理器，用于接收雷达信号的处理；

毫米波雷达工作原理

车载毫米波雷达通过发射电磁波信号（毫米波波段）并接收回波信号来测定汽车车身周围的物理环境信息（如汽车与其他物体之间的相对距离、相对速度、角度、运动、运动方向等），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，完成合理决策，减少事故发生率。其中测速可以直接根据发射波和回波的多普勒频移获得，而测距无法直接获得（以脉冲波为例，30m目标往返时间2×10^-7s，对芯片处理速度的要求很高），因此目前主要通过FMCW调频连续波的发射和回波信号联合解算进行测距和测试。

Radar Operation

多普勒效应
如上所述，雷达通过多普勒效应测速。可以直接测速是雷达的一大优势。下面我们介绍一下多普勒效应。
当信号源与观测者以相对速度v≠0运动时，观测者所收到的振动频率与信号源所发出的频率有不同。信号源靠近观测者，连续波之间的到达时间降低，频率增加；信号源远离观测者，连续波之间的到达时间增加，频率降低。这种现象我们称为多普勒效应。

FMCW毫米波雷达硬件架构

如上述所述，雷达无法直接测距（高频信号直接处理，对芯片要求非常高），主要通过FMCW调频连续波方式测距。主要原理是通过混频器将接收的高频反射信号和高频发射信号进行混频处理，得到中频信号（Intermediate frequency = Synthesizer Frequency - Return Signal Frequency），再ADC模数转换给到DSP进行处理，这样就可以极大降低对芯片处理性能的要求。

Hardware implementation of the FMCW Radar

Radar vs Lidar

目前毫米波雷达和摄像头已经广泛用于ADAS领域，而激光雷达LIdar也将在今年开始上车。下图对Radar和Lidar进行一个对比。Lidar可以直接测距，且测距精度高，障碍物识别方面性能突出，但无法在恶劣天气条件下工作，比如雨雾天气；而毫米波雷达可以直接测速，成本低，尺寸小。因此，Radar和Lidar可以很好的作为互补，确保ADAS行车安全。

Comparison between RADAR and LIDAR [source: cleantechnica]