毫米波雷达专题（一）之基本原理

前言

        毫米波是指波长在1 ~ 10mm的无线电波，我们电磁波在空气中的传播速度为c=3x10^8 m/s, 从而可以算出毫米波的频率为30~300GHz。

        根据工作模式的不同，可以分为“脉冲”和“连续波”两种，其中脉冲型毫米波雷达的基本原理与激光雷达原理类似，都是基于TOF的方法。连续波类型可以分为CW恒频连续波、FSK频移键控连续波和FMCW调频连续波。CW用于测速，FSK可探测单个目标的距离和速度，FMCW可探测多个目标的距离和速度，因此FMCW可广泛应用于车载辅助驾驶。

        这里主要对FMCW调频连续波雷达进行研究，下面针对其测距、测速和测角的原理进行叙述

基本原理

Chirp信号

指信号频率随时间线性增加的正弦波，如下图所示

 我们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 40μs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。

我们来简单看一下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。
混频器的工作原理如下：

 

① 合成器生成一个Chirp信号
② TX天线发射
③ RX天线接收反射回来的线性调频脉冲
④ 混频器将TX与RX的信号进行混合，生成中频IF（intermediate frequency）信号

对于输入的两个正弦波，输出的正弦波角速度也就是频率是两个输入信号的差值，相位也是两个输入信号的差值。

 

IF中频信号及单个目标测距计算

 

上方图中TX为发射信号，RX为接收信号。两者之间有一个时间延迟τ。

前面介绍混频器的作用时已经说过：混频器生成的IF信号在频率和相位两个方面都是两个输入信号直接相减，所以可以通过下方的f-t图进行表示，即一条频率恒定的直线。

时延τ为物体到雷达到物体所花费的往返时间，可以通过下述表示