TI毫米波FMCW雷达信号（距离、速度）的处理

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前言

本人学习了TI公司的毫米波雷达，板子型号为IWR1443。初次接触雷达的我开始时感到一脸茫然，抛开雷达的各种原理不说，单单是如何使用雷达以及算出基本的距离、速度、角度就让我掉了不少头发。对着TI的相关纯英文数据手册硬啃的时光其实感觉也挺快乐的。奈何用的是漂亮国的板子，TI论坛上的各种英文资料读起来着实头疼，CSDN上也有大量的资料为读者提供学习，写的虽然正确且全面，但对于我来说，理解起来也是较为费劲的，缺少太多的细节。经过一个星期的学习，我来写一下一个初学者的理解供大家参考。

一、FMCW雷达

FMCW，即调频连续波。FMCW雷达发射的信号采用的是频率调制，通过天线向外发射一系列连续调频毫米波，并接收目标的反射信号。其工作原理就是用回波信号和发射信号的一部分进行相干混频，得到包含目标的距离和速度信息的中频信号，对中频信号进行检测即可得到目标的距离和速度。

发射信号

直接上图片大家就能够理解了：

此图片就是我们雷达发射的信号的形式，上面是信号在时域上的波形，下面是信号在频域上的波形。我所使用的波形即为此锯齿波的波形。每一段这样的信号我们把它称为一个chirp（这个词语我们会反复遇到）。

接收信号

接收信号与发射信号波形是相同的，但存在一个时间差，由于频率随时间变化，因此会产生一个频率差。差频信号便是我们所需要利用的地方。

中频信号

TX表示发射天线，RX表示接收天线，IF signal表示混频（中频信号）。我们信号处理的部分便是处理的中频信号。
根据射频电路知识我们很容易理解中频信号的产生。

TX信号与RX信号经过一个混频器输出IF signal信号。


相信混频的知识不用再过多的解释了。

二、距离的计算

1.chirp的设置

在mmwave studio中chirp的参数设置如上图所示。
总的来说，所设置的参数为

K=31.961e12;%斜率
fs=2.56e6;%采样率
n_samples=256; %采样点数/脉冲
Tc=125e-6;%一个chirp的持续时间
n_chirps=128;  %每帧脉冲数
Fram=100;      %共100帧
n_RX=4;        %RX天线通道数
n_TX=1;        %TX发射天线通道数

2.距离的测算

原理推导

还是要摆上这幅图片，接下来看操作。

range-FFT

我们需要将信号由时域变换到频域里去处理
相信对于学习过《信号与系统》这门课程的人来说，FFT应该很好理解。
在这里有必要指出的是，数字信号处理第K个采样点的频率Fk与采样频率Fs之间的关系为：
Fk=K*Fs/N
其中N为采样点数。
以下内容在不考虑多普勒频率的基础上，即二者没有相对速度。
IWR1443产生中频信号，DAC1000采集中频信号，将数字化的信号存放在.bin文件中以便后续处理。
首先对.bin文件中的数字信号进行FFT。
上图是信号经过FFT，完成从时域到频域的变换。

三、速度的计算

原理推导

当被测物体与雷达具有相对速度时，则需要发送多个chirp来完成速度的测算。

发送多个间隔时间为Tc的chirp，天线将接收到多个chirp回传来的波形。对多个chirp产生的中频信号进行FFT，在Tc时间内，物体速度产生的频差不足以导致频率峰值在range FFT图上发生改变，但峰值处的相位变化很明显（FFT后值为复数）。
TI官方文档给出的说明如下：

因此对于有相对速度的物体，不同的chirp值进行range FFT之后，峰值的大小与对应的频率不会发生变化，但峰值处的相位会按照速度大小规律变化，即发生旋转。其变化规律如下：

因此每个chirp对应的相位值一直在变化，如下图所示：
纵坐标表示相位值，横坐标表示不同的chirp。
因此对所得到的range FFT后的值在chirp维度进行FFT便可得到相位随chirp的变化频率进而计算出速度。

多普勒频率

Speed FFT

对range FFT之后的结果在chirp维度进行FFT。
下图是采集的一个人信息进行range FFT结果。

现在在chirp维度做FFT，即在速度维度做FFT。得出结果如下：
后处理图像结果

总结

上面展示了距离与速度计算的基本原理，在工程应用中一般采用3DFFT的计算方法进行距离、速度、角度的测算。该方法的原理以及MATLAB实现将在后续博客中加以阐述。
3DFFT模型图：

对于毫米波雷达的学习建议学习TI的官方文档：
Introduction to mmwave Sensing FMCW Radars.pdf
DCA1000EVM Data Capture Card User’s Guide.pdf
mmwave Radar Device ADC Raw Data Capture.pdf
mmwave_sensor_raw_data_capture_using_dca1000_v02.pdf

TI官网毫米波雷达信息：
TI官网IWR毫米波雷达信息

推荐学习视频：
TI官方培训视频（英文授课）