导图社区 汽车毫米波雷达技术概述
介绍了毫米波雷达的基本概念、特点、分类、主要参数;测距、测速、测角度的相关工作及计算原理分析。介绍详细,描述全面,希望对感兴趣的小伙伴有所帮助!
编辑于2024-10-10 10:47:16汽车毫米雷达波技术原理解析
定义概念
概念
毫米波一类使用短波长电磁波的特殊雷达技术,实质上就是电磁波,但是频段比较特殊,频率高于无线电,低于可见光和红外线;雷达系统发射的电磁波信号被其发射路径上的物体阻挡继而会发生反射。通过捕捉反射的信号,雷达系统可以确定物体的距离、速度和角度
车规级雷达频率:
24GHz
波长 12mm
77GHz
波长 4mm
至于为什么选择22GHz和77GHz,是因为电磁波的每一个频段都会按照规定,分配给特定的设备或行业,以防止设备信号之间的相互干扰。而24GHZ和77GHz就是国际电信联盟专门划分给车用雷达的频段
特点
探测性能稳定
不受被测物体表面形状,颜色的影响,对大气等适应性强
探测距离较长
最长250m左右,能够满足车辆在高速行驶环境下,对较远距离范围内的环境监测要求
环境适应性良好
较强的穿透力,能够透过烟雾,泥土,雨水,环境适应能力强
波束比较窄,具有较强的抗干扰能力
体积小,性能高
全天候工作
多目标跟踪
分类
脉冲式毫米波雷达
采用脉冲的方式,短时间内发射大功率的脉冲信号,通过脉冲信号控制雷达的压控振荡器,从低频瞬时跳到高频
调频连续波毫米波雷达(主要)
发射的连续调频信号遇到目标时,就会产生与发射信号有一定时延的回波,在通过雷达的混频器进行混频处理
可以同时得到目标的相对距离和相对速度
ESR毫米波雷达(ESR = electronically scanning reader)
电子扫描毫米波雷达,适应范围呢同时检测到64个目标,发射波段为76GHZ-77GHZ,同时具有中距和远距的扫描能力
主要参数
结构组成
系统组成
模拟组件
发送 (TX)
接收 (RX)
射频 (RF)
时钟
数字组件
模数转换器 (ADC)
微控制器 (MCU)
数字信号处理器 (DSP)
博世毫米波雷达结构
MMIC —— 前端单片微波集成电路
是多功能电路
包含:低噪声放大器(LNA),功率放大器,混频器,以及收发系统等功能
特点:电路损耗小,噪声低,频带宽,动态范围大,功率大,附加功率高,抗电磁辐射能力强
PCB板 —— 雷达天线高频PCB板
微带阵列(主流方案)
高频PCB板集成在普通PCB板上实现天线功能,需要在较小的集成空间中保持天线足够的信号强度
因为毫米波波长为几个毫米,由于天线尺寸和波长相当,所以毫米波雷达的天线很小,从而可以使用多跟天线来构成阵列天线,达到窄波束的目的,随着收发天线个数的增多,这个波束可以很窄
由于波长很短,毫米波可以使用一种微带贴片天线,在PCB板上的Ground层上铺几个开路的微带线,就能做天线,这个导致毫米波雷达的天线可以作为PCB板。
汽车上布局
FMCW毫米波雷达的工作原理
FMCW雷达系统所有信号的频率随时间呈线性变化,通常我们叫做Chirp
信号时域
信号频域
工作原理
振荡器产生信号,信号经过功率分配器发射开关,发射天线发射给目标,
接收天线在接收到目标的反射信号后,经过放大器进行放大,混合器将发射信号与接收信号进行混频,得到IF信号,IF信号传给信号处理模块处理,控制电路控制整个雷达的工作。
测距原理(调频连续波毫米波雷达)
振荡器会产生一个频率随时间逐渐增加的信号,信号遇到障碍后,会反弹回来,时延是二倍的距离/光速(光速来代替毫米波传播的速度),返回来的波形和发出的波形有一个频率差,频率差和时延呈线性关系,物体越远返回波形,收到的时间越晚。反之,那么跟入射波的频率差值就越大。将两个频率做一个减法,就可以得到二者频率的差频(差拍频率),通过判断差拍频率的高低,就可以判断障碍物的距离。
测距计算
发射天线发射出一个线性调频信号,接收天线所接收到的信号实际上就是发射信号的延时副本,发射信号与接收信号进行混频,得到IF中频信号,IF中频信号的频率等于发射信号与接收信号的频率差
测速原理
根据多普勒效应,通过计算返回接收天线的雷达波的频率变化就可以得到目标相对于雷达的运动速度,简单地说就是相对速度正比于频率变化量。当目标和自车接近时,回波的频率相比发射频率有所升高,反之则频率降低。
测角原理
是通过多个接收天线接收到信号的时延来实现
假如有2根天线接收从某个方向的电磁波,电磁波到达两个接收天线的时间是有差值的(或者说有相位差)。通过相位差就可以评估信号的角度。
TX发出毫米波,到达目标后发射,回波被RX1和RX2接收,但是有一定的时延的相位差,相位差根据毫米波传播的速度(光速),可以得到距离值b,两个天线的距离d已知的,是一个直角三角形,就可以求得这个方位角。
分辨率
雷达可以区分2个物体的最近距离
两个物体靠的很近,毫米波雷达可能将其列为一个物体,如果分的开一点,就可以探测到2个物体。究竟多远?可以区分?就叫做分辨率
计算公式:光速/(雷达带宽 X 2
TI 器件可实现一种称为调频连续波 (FMCW) 的特殊毫米波技术。顾名思义,FMCW 雷达连续发射调频信号,以测量距离以及角度和速度。这与周期性发射短脉冲的传统脉冲雷达系统不同。
过去,这些系统都是通过分立式组件实现的,这增加了功耗和总体系统成本。其复杂性和高频率要求使得系统设计颇具挑战性。
德州仪器 (TI) 已经克服了这些挑战,并且设计出了基于互补金属氧化物半导体 (CMOS) 的毫米波雷达器件,该器件集成了时钟等 TX-RF 和 RX-RF 组件,以及ADC、MCU 和硬件加速器等数字组件。TI的毫米波传感器产品组合中的某些系列集成了 DSP,用于提供额外的信号处理功能。
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