自动驾驶---------毫米波雷达简介

姓名:贾聪月

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转自:https://blog.csdn.net/zhouyy858/article/details/102629603

【嵌牛导读】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有很好的应用,因此需要好好理解毫米波雷达的原理。

【嵌牛鼻子】自动驾驶、毫米波雷达

【嵌牛提问】毫米波雷达在自动驾驶中的工作体制和主要作用是什么?

【嵌牛正文】

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。

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。

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。

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。

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。

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。

     毫米波雷达的测向,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。

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