激光雷达学习（二）——FMCW 毫米波雷达

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1.分类

  雷达按照测量的距离划分为：

• 短距离雷达：探测范围比较大，但是探测的距离比较短。
• 长距离雷达：探测范围窄，距离长达 250m。

  电磁波辐射方式:
  可分为脉冲方式以及连续波两种工作方式，其中连续波又可以分为：

• 频移键控 FSK：最常见的是用两个频率承载二进制 1 和 0 的双频 FSK 系统
• 相移键控 PSK：调制后载波与未调载波同相和反相（相位差 180°）承载二进制。
• 单频连续波 CW
• 调频连续波 FMCW
  
    FMCW 调频连续波雷达的不同调制形式:
    不同调频方式的雷达硬件构成基本相同，只有小部分电路模块、电路参数与信号处理算法有所区别。对于单个静止物体的测量，锯齿波调制方式即可满足；对于运动物体，多采用三角波调制方式； 正弦波调制使用较少。
  
  
  

2.频段

3.硬件结构

• 单片微波集成电路（MMIC）
    它包括多种功能电路，如低噪声放大器（LNA）、功率放大器、混频器、检波器、调制器、压控振荡器(VCO)、移相器、包括收发系统中的发送 (TX) 和接收 (RX) 射频 (RF) 组件，以及时钟等模拟组件，还有模数转换器 (ADC)、微控制器 (MCU) 和数字信号处理器 (DSP) 等数字组件。
    混频器：在 FMCW 雷达中，混频器混频器将回波信号与频率合成器产生的扫频信号相减，获得频移或中频信号（IF）。
  
  
  
  
• 雷达天线高频 PCB 板
    毫米波雷达天线的主流方案是微带阵列，即将高频 PCB 板集成在普通的 PCB 基板上实现天线的功能，需要在较小的集成空间中保持天线足够的信号强度。
    天线：天线通过将能量聚焦在所需方向来增加信号的强度，天线的波束宽度决定了雷达传感器的视场，比如横向绝对覆盖车道数。天线辐射不仅包括主波束，还包括副瓣。天线的旁瓣指向不同的方向，可以感知不在主波束内的目标，也可能产生误报。为了避免旁瓣检测，必须将旁瓣电平从主波束的峰值压制到 30dB 以上。
  
  
  
  

4.参数指标

5.数据

6.特点

• 和 LiDAR 相比
    Radar 和 Lidar 的之争是话题热点，但实际上，这些传感器是互补的。昂贵的激光雷达能够利用目标对激光的反射产生高分辨率成像，能够提供精确的形状和位置信息，但是在恶劣的天气条件下无法工作。
    雷达不具备产生高分辨率图像的能力，但是它具有基于多普勒现象的高精度速度估计。此外，雷达波长允许它在恶劣的天气条件下感知目标，最重要的是制造成本低。
  
  
• 优势
    1.体积小，安装之后对汽车外观的影响不大；
    2.纵向目标探测距离与速度探测能力强；
    3.对于静态和动态目标均能作出高精度测量；
    4.全天候、全天时工作，不论昼夜，穿透能力强，不受天气状况限制。
  
  
  
  
• 劣势
    1.无法成像，无法进行图像颜色识别；
    2.行人反射波较弱，对行人分辨率不高；
    3.探测距离近，垂直角度受限，对高处物体以及小物体检测效果不佳；
    4.距离多普勒耦合以及收发隔离难；
    5.在有体积要求的毫米波雷达上，垂直与水平方向天线紧密排布会相互产生严重的信号干扰；
    6.信号处理算法的可靠性、实时性需要保证，传统的毫米波雷达ECU可能无法胜任大规模点云的处理。
    7.数据存储需求将会加大，需要额外添置存储单元。
  
  
  
  
  
  
  

7.应用

  连续波调频（FMCW）雷达已广泛应用于汽车领域，包括从安全到舒适性能的各个方面，例如盲点检测、换道辅助、自动巡航控制和停车辅助等。无论天气和周围的光照条件如何，雷达都能够可靠、准确地探测和定位障碍物。

• 高级驾驶辅助系统(ADAS)
    目前，制造商主要基于视觉传感器技术和毫米波雷达系统来实现驾驶辅助。远距离雷达（LRR）支持多种功能，能轻松处理 30 到 200 米的距离，近距离雷达（SRR）能检测低于 30 米的距离。
  
• 邻近感测
    利用雷达的高距离分辨率及其近距离探测障碍物的能力，可用于开车门或后备箱时的防撞功能，也可用于泊车辅助。
  
• 驾驶员生命体征监测
     FMCW 雷达接收信号的相位对目标位置的微小变化极为敏感，可用于提高道路安全性，可估计出目标的振动频率（比如由呼吸和心跳引起的振动）监测驾驶员的心率和呼吸频率来持续监测驾驶员的生命体征。这种小尺寸传感器简单易用，比如它可以嵌入到驾驶员座椅的靠背中。
  -手势识别
     可用于基于手势的非接触式界面，包括基于手势打开车门/后备箱和控制信息娱乐系统。
  
  
  

8.市场

9.信号处理基础知识

9.1单波参数

9.2调频信号 chirp

9.3中频信号（IF signal）

10.FMCW雷达原理

11.多普勒效应

  多普勒效应是波源和观察者有相对运动时，观察者接受到波的频率与波源发出的频率并不相同的现象。波源与目标接近使得接受和反射的频率变高，而波源远离目标使得接受和反射的频率变低。

  值得注意的是在汽车雷达的情况下，运动目标在每次啁啾持续时间内的微小位移会引起的相位变化（一个啁啾时间 内的移动），由于每次啁啾的持续时间一般是微秒，导致毫米级的微小位移，主要是通过测量多个啁啾之间的相位变化率来计算。
  目标在运动产生的多普勒效应，拍频（接收频率和斜坡频率之间的差，beat frequency）由两个频率分量组成：$f_R$(微小距离引起的频率增量)和$f_D$(速度引起的频率偏移，与目标的速度成正比)
  因此多普勒速度是通过测量多个啁啾之间的相位变化率，及测量多普勒引起的频率偏移来计算目标的速度。

12.距离估算

12.距离分辨率