毫米波雷達的特點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)；
毫米波雷達測距原理，測速原理，角速度測量原理；
毫米波雷達系統架構。
毫米波雷達：ADAS/自動(dòng)駕駛核心傳感器
毫米波的波長(cháng)介于厘米波和光波之間， 因此毫米波兼有微波制導和光電制導的優(yōu)點(diǎn)：
1）同厘米波導引頭相比，毫米波導引頭具 有體積小、質(zhì)量輕和空間分辨率高的特點(diǎn)；
2）與紅外、激光等光學(xué)導引頭相比，毫米波導引頭穿透霧、煙、灰塵的能力強，傳輸距離遠，具有全天候全天時(shí)的特點(diǎn)；
3）性能穩定，不受目標物體形狀、顏色等干擾。毫米波雷達很好的彌補了如紅外、激光、超聲波、 攝像頭等其他傳感器在車(chē)載應用中所不具備的使用場(chǎng)景。
毫米波雷達的探測距離一 般在150m-250m之間，有的高性能毫米波雷達探測距離甚至能達到300m，可以滿(mǎn)足汽車(chē)在高速運動(dòng)時(shí)探測較大范圍的需求。與此同時(shí)，毫米波雷達的探測精度較高。
毫米波雷達——全天候全天時(shí)工作
毫米波雷達，顧名思義，就是工作在毫米波頻段的雷達。毫米波(Millimeter-Wave，縮寫(xiě)：MMW)，是指長(cháng)度在1~10mm的電磁波，對應的頻率范圍為30~300GHz。如圖2，毫米波位于微波與遠紅外波相交疊的波長(cháng)范圍，所以毫米波兼有這兩種波譜的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也有自己獨特的性質(zhì)。毫米波的理論和技術(shù)分別是微波向高頻的延伸和光波向低頻的發(fā)展。
圖2 電磁波譜
根據波的傳播理論，頻率越高，波長(cháng)越短，分辨率越高，穿透能力越強，但在傳播過(guò)程的損耗也越大，傳輸距離越短;相對地，頻率越低，波長(cháng)越長(cháng)，繞射能力越強，傳輸距離越遠。所以與微波相比，毫米波的分辨率高、指向性好、抗干擾能力強和探測性能好。與紅外相比，毫米波的大氣衰減小、對煙霧灰塵具有更好的穿透性、受天氣影響小。這些特質(zhì)決定了毫米波雷達具有全天時(shí)全天候的工作能力。
大氣窗口和毫米波雷達的頻段劃分
通常大氣層中水汽、氧氣會(huì )對電磁波有吸收作用，目前絕大多數毫米波應用研究集中在幾個(gè)“大氣窗口”頻率和三個(gè)“衰減峰”頻率上。所謂的“大氣窗口”是指電磁波通過(guò)大氣層較少被反射、吸收和散射的那些透射率高的波段。如圖3，我們可以看到毫米波傳播受到衰減較小的“大氣窗口”主要集中在35GHz、45GHz、94GHz、140GHz、220GHz頻段附近。而在60GHz、120GHz、180GHz頻段附近衰減出現極大值，即“衰減峰”。一般說(shuō)來(lái)，“大氣窗口”頻段比較適用于點(diǎn)對點(diǎn)通信，已被低空空地導彈和地基雷達所采用，而“衰減峰”頻段被多路分集的隱蔽網(wǎng)絡(luò )和系統優(yōu)先選用，用以滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò )安全系數的要求。
圖3 毫米波不同頻段大氣衰減趨勢圖
目前，各大國的車(chē)載雷達頻段主要集中在在24GHz、60GHz和77GHz這3個(gè)頻段，如表1展示了主要國家車(chē)載雷達頻率劃分情況。其中，24GHz的波長(cháng)是1.25cm(雖然24GHz的波長(cháng)是1.25cm，但是目前業(yè)界也依然將其稱(chēng)之為毫米波)，60GHz是5mm，77GHz的波長(cháng)則更短，只有3.9mm。正如前面所說(shuō)，頻率越高波長(cháng)越短，分辨率、精準度就越高。所以，精度更高的77GHz雷達正努力成為汽車(chē)領(lǐng)域主流傳感器
大家都知道雷達使用電磁波，電磁波這個(gè)媒介決定了微波雷達區別于超聲、聲吶等其它方法。
電磁波是交變電磁場(chǎng)，在自由空間傳播，這個(gè)電磁場(chǎng)交變的頻率，決定了雷達的基本屬性。當然，波長(cháng)和頻率是一個(gè)等效的概念。電磁波按頻率劃分有這么幾個(gè)典型的頻段：
平時(shí)用的無(wú)線(xiàn)電是低于300Mhz的頻段，主要是AM，FM廣播使用。
微波頻段是通信和雷達使用的主要頻段，這是個(gè)很寬的頻，有300Mhz--300GHz，我們要講的毫米波是微波的一個(gè)子頻段。
大家可以看到的是，可見(jiàn)光、紅外、激光等，這些也是電磁波的一種但是由于頻率的不同，它和微波頻段的特性有很大差異。
所以所基于可見(jiàn)光、紅外、或者激光的方法一般就嚴格的講就不叫雷達了，雖然激光的機理和雷達可能是類(lèi)似的。
那么不同頻段的電磁波主要的區別在哪里呢？就是以下這幾個(gè)特性，當電磁波在空間傳播的時(shí)候，它傳播的介質(zhì)一改變，就會(huì )發(fā)生反射、吸收、透射、衍射等現象。不同頻段的電磁波，這幾種現象的占比就很大差異。
那么我們知道無(wú)論是雷達、主動(dòng)紅外、激光雷達都是基于反射這個(gè)特性，不同頻率的電磁波在反射特性上就有很大差異，這個(gè)一方面取決于介質(zhì)，也就是反射面的材質(zhì)。比如金屬的材質(zhì)更容易反射微波，水主要會(huì )吸收電磁波，那么水下我們就很少使用雷達。同時(shí)，這個(gè)反射、透射等特性還取決于電磁波的頻率。比如我們的廣播，一般在屋里也能接收到，但是wifi在隔了幾堵墻可能就很弱了，紅外和光根本就一張紙可能也透不過(guò)去。這是因為，波長(cháng)越長(cháng)，越容易發(fā)生透射和衍射現象，而波長(cháng)越短，則很容易被反射。
一般來(lái)講電磁波波長(cháng)和介質(zhì)的尺寸之間的關(guān)系，如果大于，那么就容易透過(guò)和衍射，如果小于則容易反射。當然這里特別的是射線(xiàn)，因為他基本以粒子屬性為主，所以基本不能看做是波了。
我們要講的毫米波的波長(cháng)是1cm到1mm之間，這個(gè)波長(cháng)是很短的，它靠近太赫茲或者紅外，但是比這兩者的波長(cháng)還長(cháng)很多，這個(gè)波長(cháng)早期開(kāi)發(fā)起來(lái)難度很大，是近十年左右才利用起來(lái)的。
就像剛剛我們講的，我們現在能用來(lái)通信和處理的電磁波頻率越來(lái)越高，現在已經(jīng)講太赫茲、可見(jiàn)光通信了，這得益于技術(shù)的發(fā)展。毫米波這個(gè)波段30---300GHz，頻率很高，但是這個(gè)頻段里很多頻率區域的電磁波在空氣里傳播很容易被水分子、氧氣吸收，所以可用的就是幾個(gè)典型的頻段，也就是這里列出來(lái)的24、60、 77,、120GHz。當然24GHz很特別，他嚴格來(lái)講不是毫米波，因為它的波長(cháng)在1cm左右。但是它是最早被利用的?，F在各個(gè)國家把24GHz劃出來(lái)可以民用，77GHz劃分給了汽車(chē)防撞雷達，24Ghz也在汽車(chē)里用得最早。
毫米波由于它的波長(cháng)很短，就有別于無(wú)線(xiàn)電和較低頻的微波，根據剛才說(shuō)的反射特性等特點(diǎn)來(lái)講，首先它很接近于光的傳播特性，對于較小的反射面（物體）也能較好的反射，另外由于頻率很高，它可調制的帶寬非常大。還有，一會(huì )我們會(huì )說(shuō)到，由于波長(cháng)很短，天線(xiàn)就可以很小。但是由于波長(cháng)小，在空間傳播很容易被阻擋和吸收，那么也就導致它作用距離不可能太遠，當然這個(gè)遠近是相對其他波段來(lái)說(shuō)的，一般作用距離1km以?xún)取?/p>
下面我們來(lái)說(shuō)一下毫米波雷達。
我們知道雷達就是發(fā)射電磁波并通過(guò)檢測回波來(lái)探測目標的有無(wú)和遠近的一種電子裝置。這個(gè)和超聲、主動(dòng)紅外、激光都一樣。只不過(guò)我們強調用了Radio。
毫米波和大多數微波雷達一樣，有波束的概念，也就是發(fā)射出去的電磁波是一個(gè)錐狀的波束，而不像激光是一條線(xiàn)。這是因為這個(gè)波段的天線(xiàn)，主要以電磁輻射，而不是光粒子發(fā)射為主要方法。這一點(diǎn)，雷達和超聲是一樣，這個(gè)波束的方式，導致它優(yōu)缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)，可靠，因為反射面大，缺點(diǎn)，就是分辨力不高。
毫米波雷達可以對目標進(jìn)行有無(wú)檢測、測距、測速以及方位測量。
判斷有沒(méi)有目標很簡(jiǎn)單，判斷回波有沒(méi)有就行了。
測距也簡(jiǎn)單，都是基于TOF原理，但是我們說(shuō)電磁波的傳播速度是光速，所以這個(gè)帶來(lái)了一定的挑戰。剛才我們說(shuō)毫米波雷達作用距離都不太遠，比如我們說(shuō)汽車(chē)或者無(wú)人機，那么探測距離就很近，回波和發(fā)射波間隔就非常短，所以一般并不太適合使用簡(jiǎn)單的發(fā)射脈沖方式，所以現在主要是用FMCW方式較多。
毫米波雷達測速和普通雷達一樣，有兩種方式，一個(gè)基于dopler原理，就是當發(fā)射的電磁波和被探測目標有相對移動(dòng)、回波的頻率會(huì )和發(fā)射波的頻率不同。通過(guò)檢測這個(gè)頻率差可以測得目標相對于雷達的移動(dòng)速度。但是這種方法無(wú)法探測切向速度，第二種方法就是通過(guò)跟蹤位置，進(jìn)行微分得到速度。
最后一個(gè)，是毫米波雷達的側向，雷達對目標方位的探測主要基于一種方法，就是使用較窄的波束。因為當目標出現在波束里，我們一般沒(méi)有辦法判斷目標具體在這個(gè)波束內部的那個(gè)方向，所以我們必須把波束做窄，當然能和激光一樣最好，但是這個(gè)很難。那么把波束做窄，有幾種方法，一種使用有向天線(xiàn)，比如喇叭天線(xiàn)或者透鏡天線(xiàn)。還有一種方法，就是使用多根天線(xiàn)+陣列信號處理的方法。對于毫米波來(lái)講，由于波長(cháng)很短，所以我們做很多根天線(xiàn)的代價(jià)就很?。ㄟ@個(gè)代價(jià)指價(jià)格、尺寸），所以毫米波雷達大量使用陣列天線(xiàn)的方式來(lái)構成窄波束，能多窄呢？比如3度，5度這樣，是汽車(chē)常用的。當然這個(gè)和激光還不能比，但是已經(jīng)很好了。
民用毫米波雷達首先應用的方向是汽車(chē)應用，大約199X年的時(shí)候，毫米波雷達就被用于汽車(chē)的ACC功能（自適應巡航）了，也就是在高速上跟著(zhù)前車(chē)跑，他慢你慢，他快你快，保持一定距離。這依賴(lài)于毫米波長(cháng)達200米以上的距離探測功能，其它手段是很難做到的。到后來(lái)，又陸續發(fā)展為防撞、盲區探測等其它功能，但是這個(gè)技術(shù)一直很貴，并且對國內封閉，直到2012年，出現了芯片級別的毫米波射頻芯片，這個(gè)技術(shù)的門(mén)檻一下降低了，所有應用打開(kāi)了一個(gè)窗口。
毫米波雷達一般有這么幾個(gè)構成部分：天線(xiàn)、射頻、基帶、以及可能的控制層。
我們一個(gè)一個(gè)來(lái)說(shuō)，首先天線(xiàn)。
剛才我們講，毫米波雷達波長(cháng)幾個(gè)毫米，由于天線(xiàn)尺寸和波長(cháng)相當，所以毫米波雷達的天線(xiàn)可以很小，從而可以使用多根天線(xiàn)來(lái)構成陣列天線(xiàn)，達到窄波束的目的，隨著(zhù)收發(fā)天線(xiàn)個(gè)數的增多，這個(gè)波束可以很窄很窄。另外一個(gè)因素是，由于波長(cháng)很小，毫米波可以使用一種”微帶貼片天線(xiàn)“，就是圖片里這個(gè)樣子，在pcb板上的ground層上鋪幾個(gè)開(kāi)路的微帶線(xiàn)，就能做天線(xiàn)。這個(gè)導致毫米波雷達的天線(xiàn)可以做成pcb板。和大家常見(jiàn)的wifi和藍牙的pcb天線(xiàn)很像。當然，由于毫米波的頻率很高，那么一般需要高頻板材。實(shí)際上國內在一兩年前，都還不具備制作這個(gè)天線(xiàn)的能力。
接著(zhù)是毫米波雷達的射頻部分。
剛才我們提過(guò)，早些年用離散器件搭難度很大，只有幾個(gè)大廠(chǎng)能做，并且形成了技術(shù)壁壘，但是芯片級別的毫米波射頻芯片的推出，門(mén)檻迅速下降，之前幾萬(wàn)塊錢(qián)的毫米波雷達，現在可以1000塊左右了。當前使用sige工藝的片子還略貴，很多廠(chǎng)家在研發(fā)cmos工藝的，如果成功，可能就白菜價(jià)了。
最后是毫米波雷達的數字信號處理部分。
這部分就是一些算法，主要包括陣列天線(xiàn)的波束形成算法、信號檢測、測量算法、分類(lèi)和跟蹤算法。這個(gè)就不展開(kāi)了，因為涉及的面太多了。雷達的原理是簡(jiǎn)單的，但是要做好，功夫就都要下在這個(gè)地方。
另外，還有一些廠(chǎng)家的方案，都是從射頻帶基帶一體的解決方式，我們可以預見(jiàn)，不遠的將來(lái)，集成程度會(huì )更高，到時(shí)候都是單芯片的方案了。
一個(gè)當然就是汽車(chē)。
由于毫米波雷達的距離遠、可靠性高、不受光線(xiàn)、塵埃影響，相比攝像頭，它距離150米以上的特性遠遠勝出。相比激光，1000塊左右的價(jià)格也是大大勝出。所以現在仍然是主流技術(shù)。
當然剛才我們提到它分辨力略低，那么和攝像頭的融合必然是一個(gè)趨勢。
當然，激光雷達在拼命的技術(shù)革新，想把價(jià)格降下來(lái)。由于技術(shù)和價(jià)格的迅速普及，原來(lái)只有50萬(wàn)以上的車(chē)才有的毫米波雷達，現在十幾萬(wàn)的車(chē)上也慢慢開(kāi)始裝了，而且，telsa這樣ADAS領(lǐng)導者，也開(kāi)始從汽車(chē)雷達廠(chǎng)商挖技術(shù)主管，并且在九月份開(kāi)始裝配到它的電動(dòng)車(chē)上了?？梢钥闯鰜?lái)，毫米波雷達在汽車(chē)上的應用還是主流技術(shù)。
另一個(gè)就是無(wú)人機。
我們常講，汽車(chē)和無(wú)人機其實(shí)是很像的：高速移動(dòng)，安全第一。
高速，必然要求，探測距離足夠遠。安全，必然要求檢測方法的魯棒性，和受環(huán)境影響小。
當然在某些應用里，無(wú)人機的環(huán)境比汽車(chē)也要復雜一點(diǎn)。
毫米波雷達在軍事有人機、無(wú)人機早已大規模應用。
其在無(wú)人機的第一個(gè)應用，也是目前市場(chǎng)最大的，是植保無(wú)人機的定高應用。
我們知道gps和氣壓計測的是海拔高度，而植保時(shí)，我們希望無(wú)人機在作物上方固定的高度飛行，無(wú)論地面和植被是否起伏。這個(gè)也叫仿地飛行。這種應用有很多的解決方案，比如我們說(shuō)的超聲、激光、紅外、雙目等等。但是由于植保環(huán)境大多很差，有很大的灰塵，還有水霧，那么超聲和基于光學(xué)的都會(huì )受到很大干擾。
目前來(lái)看，基于毫米波雷達的高度計，表現是最穩定的，首先他能穿透塵埃水霧，另外也基本不受什么干擾?；诓ㄊ?，而不是點(diǎn)反射，高度恰恰反映植被葉片高度。
無(wú)人機方面第二個(gè)應用就是避障。
這個(gè)同樣是一個(gè)多種傳感器爭奪的戰場(chǎng)。但是我們講毫米波雷達有不受光線(xiàn)影響、作用距離有非常大、可靠等優(yōu)勢，而這些優(yōu)勢在軍事有人機、汽車(chē)、無(wú)人機方面都被證明。
當然，雷達的分辨力確實(shí)較低。但是我們講過(guò)，由于陣列天線(xiàn)的優(yōu)勢，其實(shí)這個(gè)是可以有很大提高的，有3-5度的分辨力是有可能的。在美國這個(gè)避障比賽里，我們用毫米波雷達是得了第一的。所以請大家也有信心。這里有一個(gè)對比圖，大家可以看一看。
所以我們說(shuō)毫米波雷達是有很大的調整空間的，比如波束寬度、作用距離、價(jià)格等。我們相信毫米波雷達在無(wú)人機測高、避障上優(yōu)勢很明顯，但也有需要光學(xué)來(lái)補充的地方。因此，我們提出這樣一個(gè)架構，使用毫米波雷達進(jìn)行360度避障，和高度測量。
當然這樣的架構下，也需要更強的飛控處理平臺和技術(shù)。
轉自：http://www.eepw.com.cn/article/201807/383071_2.htm
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