毫米波雷达FMCW技术理解

1：毫米波雷达FMCW 知识背景介绍
FMCW，Frequency Modulated Continuous Wave, 即调频连续波。FMCW技术和脉冲雷达技术是两种在高精度雷达测距中使用的技术。其基本原理为发射波为高频连续波，其频率随时间按照三角波规律变化。
FMCW，接收的回波频率与发射的频率变化规律相同，都是三角波规律，只是有一个时间差，利用这个微小的时间差可计算出目标距离。
雷达按照发射信号种类分成脉冲雷达和连续波雷达两大类，常规脉冲雷达发射周期性的高频脉冲，连续波雷达发射的是连续波信号。
连续波雷达发射的信号可以是单频连续波(CW)或者调频连续波(FMCW)，调频方式也有多种，常见的有三角波、锯齿波、编码调制或者噪声调频等。其中，单频连续波雷达仅可用于测速，无法测距，而FMCW雷达既可测距又可测速，并且在近距离测量上的优势日益明显。
FMCW雷达框图

调频连续波雷达如要由收发器和带微处理器的控制单元组成，收发器如果使用单个天线进行同时发射和接收，FMCW雷达需要铁氧体环形器来分离发射和接收信号，对隔离度要求较高。当然，若使用收发分离的贴片天线，成本会相对低一点。
高频信号由压控振荡器(VCO)产生，通过功率分配器将一部分经过额外放大后馈送至发射天线，另一部分耦合至混频器，与接收的回波混频、低通滤波，得到基带差频信号，经过模数转换后送至微处理器处理。
2：毫米波雷达发展前景及芯片厂商介绍
根据Yole近期发布的《汽车雷达技术-2018版》报告，尽管2017~2022年全球汽车的年销售量增速缓慢（约3%），但是预计汽车雷达模组的年销售量将飞速增长（约为25%），雷达芯片的年销售量也类似，增速达到22%。
77GHz毫米波雷达方案因为可以比24GHz雷达方案做得更小，已经成为汽车前向探测雷达的主流选择，并逐渐向工业和基础设施应用市场渗透，目前主流供应商是TI和NXP，中国本土厂商加特兰微电子推出了新一代77GHz毫米波雷达芯片ALPS SoC，中外厂商在这个主流市场进行竞技。
3：毫米波雷达应用
1：实现汽车ADAS和无人驾驶的终极目标
车载毫米波雷达通过阵列天线向外发射调制毫米波，然后将接收的回波信号和本地振荡混频提取中频信号，经后方MCU单元运行2-D傅里叶变换等处理提取汽车周与目标的相对速度、相对距离、相对角度，以及相对运动方向等信息。汽车中央处理单元会基于提取的信息进行智能处理，并给驾驶员警示信息，或者及时采取主动干预措施，从保证主动安全性能，减少事故几率。
2：商业楼宇自动化和智能监控
针对楼宇自动化应用的工业毫米波解决方案可实现室内(14m 范围内)和室外(超过 50m 的范围)人员的检测和跟踪。毫米波可用于高精度占位检测，而检测出的人员位置和速度信息可在人进入监控区域或向特定方向移动时触发系统报警。
毫米波传感器利用板载处理能力，可以忽略不重要的静态物体(如桌椅)和动态物体(如树木和风扇)的特征来减少错误检测。其传感性能在雨、雾、烟或环境照明不佳的环境中仍然保持稳定。由于没有摄像头或光学透镜，毫米波非常适合于对隐私敏感的应用场合
3：智能交通监控
智能城市的一个关键要素是配备有传感器的智能交通系统，可监控城市的“健康”，包括跟踪交通数据和停车计时以实施执法，以及红绿灯优先事项和事件管理等。
针对交通监控的工业毫米波解决方案可在任何光线和天气状况下进行交通和行人探测，探测距离大于 100m，并可提供精确的距离和速度信息，实现智能报告和决策。
4：工厂机器与人协作的安全防护
随着工厂智能程度的提高，人与机器“携手并进”的情况更为广泛和频繁。为了减少在工厂自动化流程中有缺陷时出现潜在危险的可能性，需要通过安全防护装置进行事件管理。工业毫米波传感器可用于高精度占位检测和防撞，其中人员的位置和速度可用于在人或物体靠近机器时触发系统报警。此外，毫米波传感器通过在单个芯片上集成精确感应与实时决策和处理功能，在边缘实现智能感应，可以进一步加速机器人系统的采用，实现更智能的机器人技术。
5：智能家居和健康医疗
除了工业和商业应用领域，在智能家居和健康医疗等消费应用场合也可以发挥毫米波雷达传感器的价值。其高精度性能可以检测到细微的物体移动，比如人体手势、呼吸及心跳等。医疗级的精度可以进行非接触式检测，比如 深度睡眠、浅度睡眠、睡眠状态等。
4：毫米波雷达FMCW如何学习
学习知识只有从书中学到比较深刻系统，下面介绍几本有关书籍：
丁鹭飞 《雷达原理》，入门可以看这本书，配合西电雷达原理的课程来学习。重点掌握雷达的发射机，接收机（重点接收机的一般组成框图，噪声系数和噪声温度，匹配滤波器）和信号处理机（信号处理包括CH5最大作用距离表达式；CH6测距；CH7测向；CH8测速）。没有说天线方面的知识，微波技术和天线是一门单独的课程。
《现代雷达系统分析与设计》陈伯孝 强烈推荐。个人觉得讲解比较通俗易懂，相较于《雷达信号处理基础》而言。
《雷达系统设计MATLAB仿真》这本书适合用来做仿真。
《雷达信号处理基础》Mark A Richards，这本书还没有仔细看，感觉写的挺好的，信息量比较大。
《现代雷达信号处理》马晓岩，这本书大致翻了下，觉得挺不错的。

5：调频连续波雷达(FMCW)测距/测速原理
以三角波调频连续波为例来简单介绍雷达的测距/测速原理。如下图，红色为发射信号频率，绿色为接收信号频率，扫频周期为T，扫频带宽为B，发射信号经过目标发射，回波信号会有延时，在三角形的频率变化中，可以在上升沿和下降沿两者上进行距离测量。

如果没有多普勒频率，上升沿期间的频率差值等于下降沿期间的测量值。对于运动目标，则上升/下降沿期间的频率差不同，我们可以通过这二个频率差来测距和测速。

差拍信号经低通滤波和放大后送数字信号处理器，完成对差拍信号的FFT、检测，对目标数据进行计算后送显控终端显示。

三角波调频连续波雷达正是通过采用正负调频斜率来消除距离与速度的耦合，进而进行目标速度的估计。