調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)FMCW測(cè)量-距離、方位角、仰角、速度

什么是雷達(dá)？

雷達(dá)技術(shù)是在第二次世界大戰(zhàn)期間為軍事用途而開發(fā)的，但現(xiàn)在有許多民用應(yīng)用，包括空中或海上交通控制、天文學(xué)、海洋和氣象監(jiān)測(cè)、高度測(cè)量、地質(zhì)觀測(cè)和汽車應(yīng)用。

雷達(dá)（無(wú)線電探測(cè)和測(cè)距）使用無(wú)線電波來(lái)探測(cè)環(huán)境中的物體。它可以確定距離（稱為范圍）、角位置（方位）和速度。

4D-距離、方位角、仰角、速度

雷達(dá)系統(tǒng)包括發(fā)射器，其向特定方向發(fā)射電磁射頻波（雷達(dá)信號(hào)）。然后雷達(dá)接收器檢測(cè)到目標(biāo)物體反射的信號(hào)（回波）。反射的強(qiáng)度由物體的材料特性、尺寸和形狀（雷達(dá)截面 RCS）決定。通過(guò)處理該反射信號(hào)，可以確定目標(biāo)的特性。

調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)

汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)使用所謂的調(diào)頻連續(xù)波 (FMCW) 運(yùn)行。該系統(tǒng)以特定頻率發(fā)射連續(xù)波，然后在一段時(shí)間 T 內(nèi)進(jìn)行調(diào)制。這為發(fā)射的信號(hào)提供了“時(shí)間戳”。然后信號(hào)傳播到目標(biāo)，部分信號(hào)被反射回來(lái)。雷達(dá)將檢測(cè)反射信號(hào)，并通過(guò)混合它們并處理結(jié)果信號(hào)來(lái)將其與原始信號(hào)進(jìn)行比較。圖 1 中顯示了簡(jiǎn)化的原理圖。

通過(guò)在任何給定時(shí)刻將反射波與原始信號(hào)進(jìn)行比較，可以觀察到頻移 Δf。這種轉(zhuǎn)變?cè)试S確定信號(hào)或“線性調(diào)頻脈沖”的每個(gè)周期的范圍 R。如果通過(guò)多個(gè)線性調(diào)頻信號(hào)監(jiān)測(cè)信號(hào)，基于多普勒效應(yīng)，將檢測(cè)到朝向或遠(yuǎn)離雷達(dá)的目標(biāo)的額外頻移 fD，這允許確定目標(biāo)的速度。最后，如果考慮不同的信道，使用空間分布的天線，可以建立信號(hào)的到達(dá)方向，以獲得目標(biāo)的2D或3D位置。

這意味著要進(jìn)行 4D 檢測(cè)（距離、方位角和仰角方向以及速度），需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)空處理。為此，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化并保存以供進(jìn)一步處理。第 一步將是創(chuàng)建所謂的“雷達(dá)立方體”。

雷達(dá)處理 - 雷達(dá)立方體

雷達(dá)數(shù)據(jù)立方體是對(duì)存儲(chǔ)的雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空處理的三維圖形描述。它總結(jié)了獲取距離、速度和方位信息所需的三個(gè)基本步驟。

如上所述，對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行采樣以進(jìn)行處理。第 一步是執(zhí)行 FFT（快速傅里葉變換），使每個(gè)樣本對(duì)應(yīng)一個(gè)“bin”，以獲取所謂“快速時(shí)間”內(nèi)的距離信息。圖 4 對(duì)此進(jìn)行了說(shuō)明。對(duì)形成幀的每個(gè)線性調(diào)頻重復(fù)該過(guò)程。

一旦幀中的所有碼片都被采集、保存和處理，就執(zhí)行多普勒 FFT 以獲得有關(guān)目標(biāo)速度的信息。該評(píng)估每幀進(jìn)行一次，即每 N 個(gè)線性調(diào)頻脈沖進(jìn)行一次。因此，它也被稱為“慢時(shí)間”。最后，將所有可用通道的空間數(shù)據(jù)組合起來(lái)，得到雷達(dá)立方體的第三維，其中包含目標(biāo)的空間位置信息。雷達(dá)立方體的圖形表示如圖 5 所示。

汽車?yán)走_(dá)模塊

半導(dǎo)體技術(shù)（尤其是硅基技術(shù)）的進(jìn)步促進(jìn)了汽車?yán)走_(dá)的部署。2010 年代初，多通道雷達(dá)收發(fā)器集成在單個(gè) GaAs（砷化鎵）MMIC（單片微波集成電路）上，而如今，硅鍺 (SiGe) 的使用提高了集成密度并降低了大規(guī)模生產(chǎn)的成本。下一個(gè)挑戰(zhàn)將是向 CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）的過(guò)渡，這將允許在芯片上集成更多數(shù)字電路，同時(shí)保持良好的射頻性能。

然而，要實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)，每個(gè)雷達(dá)模塊必須包括一個(gè)或多個(gè) MMIC 收發(fā)器，這些收發(fā)器發(fā)射雷達(dá)信號(hào)、檢測(cè)來(lái)自障礙物的回波并執(zhí)行一些信號(hào)調(diào)節(jié)和數(shù)字化，以準(zhǔn)備原始雷達(dá)數(shù)據(jù)，以便通過(guò)處理進(jìn)行進(jìn)一步分析單元。后者可以是用于基本處理的微控制器單元（MCU），但隨著雷達(dá)技術(shù)的進(jìn)步，SoC（片上系統(tǒng)）越來(lái)越多地用于實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的目標(biāo)分析、檢測(cè)和跟蹤。

圖 6 說(shuō)明了整個(gè)接收路徑上雷達(dá)信號(hào)處理的不同步驟。雖然模擬射頻處理和數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換始終在 MMIC 上執(zhí)行，但用于信號(hào)分析的接口并不固定。隨著雷達(dá)架構(gòu)和信號(hào)處理日益復(fù)雜，一些步驟（例如第 一次 FFT）已經(jīng)可以在 MMIC 上執(zhí)行。此外，還可以將雷達(dá)收發(fā)器和處理單元組合在單個(gè)單片芯片中，用于角雷達(dá)等某些應(yīng)用。

未來(lái)，可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的架構(gòu)，在汽車周圍分布多個(gè)衛(wèi)星雷達(dá)。然后，雷達(dá)模塊在將數(shù)據(jù)（例如范圍和點(diǎn)云）傳輸?shù)街醒肟刂茊卧?/span>ECU）之前僅執(zhí)行有限的預(yù)處理，然后中央控制單元可以應(yīng)用更先進(jìn)的處理和數(shù)據(jù)融合，而不僅僅是雷達(dá)的數(shù)據(jù)融合。衛(wèi)星雷達(dá)模塊以及其他傳感器。