车载毫米波雷达的工作原理是什么？

雷达对我们来说并不陌生，它在生活的方方面面都会用到。如今它也出现在了汽车里面，随着智能驾驶不断发展，传感器已成为打造汽车生态的主要砝码之一，无论是激光雷达、毫米波雷达、摄像头等，都将成为日后必要的配件。下面我们就来科普一下毫米波雷达到底是什么？

此文分两部分，首先简单介绍一下什么叫雷达，之后再由浅入深的告诉你什么是毫米波。

雷达原理

雷达是利用无线电回波以探测目标方向和距离的一种装置，用于无线电探向与测距，全世界开始熟悉雷达是在1940年的不列颠空战中，七百架载有雷达的英国战斗机，击败两千架来袭的德国轰炸机，改写了历史。二战后，雷达开始有许多和平用途。

雷达的工作体制主要分为脉冲方式和连续波方式：

连续波（ContinuousWave:CW）雷达：指发射连续波信号，主要用来测量目标的速度。如需要同时测量目标的距离，则需要对发射信号进行调制，例如对连续波的正弦波信号进行周期性的频率调制。而脉冲雷达发射的波形是矩形脉冲，按一定的或者交错的重复周期工作。

现代脉冲雷达技术已经相当成熟，但是从原理上来讲同时解决距离和速度测量的模糊问题是不可能的，这就需要采用多重复脉冲频率（PRF）的方法来解决距离和速度模糊，因而不仅使系统的数据传输率下降，而且不利于信噪比（SNR）的提高。

我们知道雷达使用的是电磁波，电磁波这个媒介决定了微波雷达区别于超声、声呐等方式。电磁波是交变电磁场，在自由空间传播，这个电磁场交变的频率决定了雷达的基本属性。平时用的无线电是低于300Mhz的频段，主要是AM，FM广播使用。而微波频段是通信和雷达使用的主要频段，这是个很宽的频，有300Mhz--300GHz，毫米波是微波的一个子频段。

毫米波的频段在哪儿

毫米波这个波段频率很高，但是这个频段里很多频率区域的电磁波在空气里传播很容易被水分子、氧气吸收，所以可用的就是几个典型的频段，24、60、77、120GHz。当然24GHz很特别，他严格来讲不是毫米波，因为它的波长在1cm左右。但是它是最早被利用的。现在各个国家把24GHz划出来可以民用，77GHz划分给了汽车防撞雷达，24Ghz也在汽车里用得最早，关于车载雷达原理，后面还会重点介绍。

同厘米波导引头相比，毫米波导引头具有体积小、质量轻和空间分辨率高的特点。与红外、激光、电视等光学导引头相比，毫米波导引头穿透雾、烟、灰尘的能力强，具有全天候（大雨天除外）全天时的特点。毫米波雷达可以全天候工作，不受天气状况的影响，而恶劣的气候环境正是导致交通事故的主要原因之一。与光波相比，它们利用大气窗口（毫米波与亚毫米波在大气中传播时，由于气体分子谐振吸收所致的某些衰减为极小值的频率）传播时的衰减小，受自然光和热辐射源影响小。

毫米波在雷达中应用也会受到限制：雨、雾和湿雪等高潮湿环境的衰减，以及大功率器件和插损的影响会降低毫米波雷达的探测距离；树丛穿透能力差，相比微波，对密树丛穿透力低。

毫米波雷达如何工作

把雷达与毫米波融合，就形成了一个神通广大的器件——毫米波雷达。

所谓的毫米波雷达，就是指工作频段在毫米波频段的雷达，测距原理跟一般雷达一样，把无线电波（雷达波）发出去，然后接收回波，根据收发之间的时间差测得目标的位置数据。

它和大多数微波雷达一样，有波束的概念，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。这一点，雷达和超声是一样，这个波束的方式，导致它优缺点。

优点：可靠，因为反射面大；

缺点：分辨力不高。

毫米波雷达三大用处：对目标进行测距、测速以及方位测量。

测距：（TOF）通过给目标连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行（往返）时间来得到目标物距离。

测速：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。

测方位角：通过并列的接收天线收到同一目标反射的雷达波的相位差计算得到目标的方位角；

神奇的多普勒原理

毫米波雷达测速和普通雷达一样，都是基于多普勒效应（Dopler Effect）原理。当声音，光和无线电波等振动源与观测者以相对速度相对运动时，观测者所收到的振动频率与振动源所发出的频率有所不同。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。

当目标向雷达天线靠近时，反射信号频率将高于发射机频率；反之，当目标远离天线而去时，反射信号频率将低于发射机频率。由多普勒效应所形成的频率变化叫做多普勒频移，它与相对速度成正比，与振动频率成反比。

所以，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，也就是目标与雷达的相对速度。根据发射脉冲和接收的时间差，可以测出目标的距离。同时用频率过滤方法检测目标的多普勒频率谱线，滤除干扰杂波的谱线，可使雷达从强杂波中分辨出目标信号。所以脉冲多普勒雷达比普通雷达的抗杂波干扰能力强，能探测出隐蔽在背景中的活动目标。

优势在哪儿

以前人们常说的超声波雷达、红外雷达，甚至是如今的激光雷达都是通过对回波的检测，与发射信号相比较，得到脉冲或相位的差值，从而计算出发射与接收信号的时间差。再分别对应于超声波、红外线、激光在空气中的传播速度，计算出与障碍物的距离与相对速度。毫米波雷达与光学和红外线雷达相比不受目标物体形状颜色的干扰，与超声波相比不受大气紊流的影响，因而具有稳定的探测性能；环境适应性好。受天气和外界环境的变化的影响小，雨雪，灰尘，阳光都对其没有干扰；多普勒频移大，测量相对速度的精度提高。

总结一下它的特性：

1、频带极宽，在目前所利用的35G、94G这两个大气窗口中可利用带宽分别为16G和23G，适用与各种宽带信号处理;

2、可以在小的天线孔径下得到窄波束，方向性好，有极高的空间分辨力，跟踪精度高;

3、有较高的多普勒带宽，多普勒效应明显，具有良好的多普勒分辨力，测速精度较高;

4、地面杂波和多径效应影响小，跟踪性能好;

5、毫米波散射特性对目标形状的细节敏感，因而，可提高多目标分辨和对目标识别的能力与成像质量;

6、由于毫米波雷达以窄波束发射，具有低被截获性能，抗电子干扰性能好;

7、毫米波雷达具有一定的反隐身功能。

8、毫米波具有穿透烟、灰尘和雾的能力，可全天候工作。

你知道你的倒车雷达是什么类型吗？

这里简单提一下超声波雷达，在我们倒车时候使用的就是超声波雷达，俗称倒车雷达。在倒车时，超声波倒车雷采用超声波测距原理探测汽车尾部离障碍物的距离，是汽车泊车辅助装置。

原理是这样：

超声波发射器向外面某一个方向发射出超声波信号，在发射超声波时刻的同时开始进行计时，超声波通过空气进行传播，传播途中遇到障碍物就会立即返射传播回来，超声波接收器在收到反射波的时刻就立即停止计时。在空气中超声波的传播速度是340m/s，计时器通过记录时间t，就可以测算出从发射点到障碍物之间的距离长度（s），即：s＝340t/2。

超声波的能量消耗较缓慢，在介质中传播的距离比较远，穿透性强，测距的方法简单，成本低。

但是它在速度很高情况下测量距离有一定的局限性，这是因为超声波的传输速度容易受天气情况的影响，在不同的天气情况下，超声波的传输速度不同，而且传播速度较慢，当汽车高速行驶时，使用超声波测距无法跟上汽车的车距实时变化，误差较大。另一方面，超声波散射角大，方向性较差，在测量较远距离的目标时，其回波信号会比较的弱，影响测量精度。但是，在短距离测量中，超声波测距传感器具有非常大的优势。

现在大多数都配置有倒车雷达。

毫米波在汽车上的应用

回到毫米波上，如果将它融合在汽车里会有什么帮助？我们先对车载雷达有个直观地认识：

对于车辆安全来说，最主要的判断依据是两车之间的相对距离和相对速度信息。高速行驶中的车辆如果距离过近，则容易造成追尾事故。因此，常用的防撞系统都将对车辆之间的相对距离的测量作为主要的检测任务。

目前汽车领域主要有三种毫米波雷达：短距的sRR、中距的MRR和长距的LRR。

SRR目前价格大约45-60美元一只，MRR大约45美元，LRR大约80-90美元。车载雷达的频率主要分为24GHz频段和77GHz频段，其中77gHz频段代表着未来的趋势：这是国际电信联盟专门划分给车用雷达的频段。严格来说77GHz的雷达才属于毫米波雷达，但是实际上24GHz的雷达也被称为毫米波雷达长距离与中距离毫米波雷达都是77GHz，短距离是24GHz。其中，77GHz 毫米波雷达主要用在车的正前方，用于对中远距离物体的探测，24GHz 毫米波雷达一般被安装在车侧方和后方，用于盲点检测，辅助停车系统等。

各个国家对车载毫米波雷达分配的频段各有不同，但主要集中在24GHz和77GHz，少数国家（如日本）采用60GHz频段。由于77G相对于24G的诸多优势，未来全球车载毫米波雷达的频段会趋同于77GHz频段（76-81GHz）。

车载毫米波雷达工作原理是这样的：

雷达通过天线向外发射毫米波，接收目标反射信号，经后方处理快速准确地获取汽车周围的物理环境信息（如汽车与其他物体之间的相对距离、相对速度、角度、运动方向等），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。经合理决策后，以声、光及触觉等多种方式告知或警告驾驶员，或及时对汽车做出主动干预，从而保证驾驶过程的安全性和舒适性，减少事故发生几率。

在汽车主动安全领域，汽车毫米波雷达传感器是核心部件之一，其中77GHZ毫米波雷达是智能汽车上必不可少的关键部件，它能够在全天候场景下快速感知0-200米范围内周边环境物体距离、速度、方位角等信息的传感器件。

车载毫米波雷达最常见的三种用途是：

1. ACC（自适应巡航）

2. BSD&LCA（盲点监测和变道辅助）

3. AEB（自动紧急制动，通常配合摄像头进行数据融合）

简单介绍一下它的工作体制

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。

毫米波雷达将如何发展？

1.高分辨率

高分辨率一直是毫米波雷达的技术指标，这里有两条技术路线：

1.增加带宽，如76-81GHz，最大带宽可达5GHz。

2.多级联，增加通道数。

在2017年，德州仪器推出了号称全球精度最高单芯片毫米波雷达传感器，也就是工作与76-81GHz的AWR1x和WR1x收发器，然后基于这两片收发器推出了数个76-81GHz毫米波雷达前端，包括AWR124、AWR1443、AWR1642。

2.MIMO

MIMO雷达基本含义：雷达采用多个发射天线，同时发射相互正交的信号，对目标进行照射，再用多个接受天线接收目标回波信号并进行综合处理，提取目标空间位置，运动状态等信息。

3.CMOS RF工艺

毫米波雷达最突出的优势是价格低廉，即便是和视觉系统相比价格也不高。同时毫米波雷达是主动型器件，而视觉系统是被动型器件，主动型器件有比较广阔的挖掘潜力，而被动型器件CMOS图像传感器自问世以来，整体结构未有变化。而收发器从Sige转换为硅基CMOS后，性价比进一步提升。

毫米波雷达市场格局

从国外主要毫米波雷达供应商的产品技术参数来看，各公司在毫米波雷达发展上各有不同。博世的毫米波雷达产品主要以76-77GHz为主，产品技术先进，主要包括MRR（中距离）和LRR（远距离）两个系列，其中LLR4产品最大探测距离可以达到250米，在同类产品中处于领先位置。
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