對于毫米波，大家已不再陌生，大街小巷里均談論著毫米波的應用。對于毫米波相關(guān)知識，小編曾帶來諸多介紹。本文對于毫米波的講解，主要在于探討毫米波雷達側(cè)方位原理以及其優(yōu)勢所在。

一、汽車毫米波雷達基本原理

毫米波是指波長在1-10mm的電磁波，其帶寬大，分辨率高，天線部件尺寸小，能適應惡劣環(huán)境。車用毫米波雷達，通常采用結(jié)構(gòu)簡單成本較低，適合近距離探測的FMCW(調(diào)頻連續(xù)波)雷達體制。雷達天線向外發(fā)出一系列連續(xù)調(diào)頻毫米波，頻率隨時間按調(diào)制電壓的規(guī)律變化，一般是連續(xù)的三角波，發(fā)射與接收信號如圖2所示。圖中實線是發(fā)射信號，虛線是相對靜止和相對運動物體的反射信號。反射與發(fā)射信號波形相同，只是差一個延時時間td。

td=2R/C(1)

式中，R為目標距離，c光速。

發(fā)射信號與反射信號在某一時刻的頻差即為混頻輸出的中頻頻率fb。相對運動物體反射信號由于多普勒效應產(chǎn)生的頻移的原因。在三角波的上升沿與下降沿輸出的中頻頻率分別為fb+、fb-。以下公式成立：

從而得到目標車輛的距離R與相對運動速度v。由式(2)(3)可知，毫米波雷達信號中頻頻率fb的確定是求出R、V的關(guān)鍵。fb的確定即是對發(fā)射和反射信號的頻差進行頻譜分析。信號的頻譜分析主要有FFT法和非FFT法。所謂FFT法，即是對被分析的信號進行傅里葉變換，將其從時域變到頻域，在頻域進行分析，必要時再通過傅里葉逆變換，變回時域的分析方法。而非FFT方法則是通過其他的途徑，獲得信號的頻率參數(shù)，如最大熵法、MUSIC法等。綜合考慮方法的復雜性、實時性、穩(wěn)定性，對汽車雷達而言，頻譜分析應首選FFT法，這種方法比較成熟、現(xiàn)容易、實時性強，適合于汽車運行狀況下信號的實時處理。

圖 2 FMCW發(fā)射及回波信號

二、汽車毫米波雷達結(jié)構(gòu)

圖3 汽車毫米波雷達結(jié)構(gòu)

圖3為線性調(diào)頻雷達(LFCW)汽車毫米波雷達結(jié)構(gòu)，包括天線、收發(fā)模塊、信號處理模塊和報警模塊。 射頻收發(fā)前端是雷達系統(tǒng)的核心部件。國內(nèi)外已經(jīng)對前端進行了大量深入研究，并取得了長足的進展。已經(jīng)研制出各種結(jié)構(gòu)的前端，主要包括波導結(jié)構(gòu)前端，微帶結(jié)構(gòu)前端以及前端的單片集成。國內(nèi)研制的射頻前端主要是波導結(jié)構(gòu)前端。一個典型的射頻前端主要包括天線、線性VCO、放大器、平衡混頻器部分。前端混頻輸出的中頻信號經(jīng)過中頻放大送至后級數(shù)據(jù)處理部分。數(shù)據(jù)處理部分的基本目標是消除不必要信號(如雜波)和干擾信號，并對經(jīng)過中頻放大的混頻信號進行處理，從信號頻譜中提取目標距離和速度等信息。

三、毫米波雷達測方位的原理

在汽車主動安全領(lǐng)域，汽車毫米波雷達傳感器是核心部件之一，其中77GHZ毫米波雷達是智能汽車上必不可少的關(guān)鍵部件，是能夠在全天候場景下快速感知0-200米范圍內(nèi)周邊環(huán)境物體距離、速度、方位角等信息的傳感器件。那么它是如何計算被監(jiān)測目標的位置、速度和方向的呢?

1、位置

毫米波雷達通過發(fā)射天線發(fā)出相應波段的有指向性的毫米波，當毫米波遇到障礙目標后反射回來，通過接收天線接收反射回來的毫米波。根據(jù)毫米波的波段，通過公式計算毫米波在途中飛行的時間&TImes;光速÷2，再結(jié)合前車行駛速度和本車的行駛速度因素，就可以知道毫米波雷達(本車)和目標之間的相對距離了，同時也就知道目標的位置。

2、速度

此外，根據(jù)多普勒效應，毫米波雷達的頻率變化、本車及跟蹤目標的相對速度是緊密相關(guān)的，根據(jù)反射回來的毫米波頻率的變化，可以得知前方實時跟蹤的障礙物目標和本車相比的相對運動速度。因此，表現(xiàn)出來就是，傳感器發(fā)出安全距離報警時，若本車繼續(xù)加速、或前監(jiān)測目標減速、或前監(jiān)測目標靜止的情況下，毫米波反射回波的頻率將會越來越高，反之則頻率越來越低。

3、方位角

關(guān)于被監(jiān)測目標的方位角測量問題，毫米雷達的探測原理是：通過毫米波雷達的發(fā)射天線發(fā)射出毫米波后，遇到被監(jiān)測物體，反射回來，通過毫米波雷達并列的接收天線，通過收到同一監(jiān)測目標反射回來的毫米波的相位差，就可以計算出被監(jiān)測目標的方位角了。原理圖如下：

方位角αAZ是通過毫米波雷達接收天線RX1和接收天線RX2之間的幾何距離d，以及兩根毫米波雷達天線所收到反射回波的相位差b，然后通過三角函數(shù)計算得到方位角αAZ的值，這樣就可以知道被監(jiān)測目標的方位角了。

位置、速度和方位角監(jiān)測是毫米波雷達擅長之處，再結(jié)合毫米波雷達較強的抗干擾能力，可以全天候全天時穩(wěn)定工作，因此毫米波雷達被選為汽車核心傳感技術(shù)。

四、毫米波雷達相比激光雷達的優(yōu)勢

隨著自動駕駛的火熱，激光雷達受到前所未有的追捧，因為其具有高精度、大信息量、不受可見光干擾的優(yōu)勢。但我們可以注意到，目前主流的自動駕駛方案并未完全拋棄毫米波雷達，這又是什么原因呢?

首先就是大家都知道的天氣原因。激光的波長遠小于毫米波雷達(nm vs mm)，所以霧霾導致激光雷達失效并不是段子。同樣的原因，毫米波雷達的探測距離可以輕松超過200米，而激光雷達目前的性能一般不超過150米，所以對于高速公路跟車這樣的情景，毫米波雷達能夠做的更好。

其次，毫米波雷達便宜，作為成熟產(chǎn)品，毫米波雷達目前的價格大概在1.5千左右，而激光雷達的價格目前仍然是以萬作為單位計算的。并且由于激光雷達獲取的數(shù)據(jù)量遠超毫米波雷達，所以需要更高性能的處理器處理數(shù)據(jù)，更高性能的處理器同時也意味著更高的價格。所以對于工程師而言，在簡單場景中，毫米波雷達仍然是最優(yōu)選擇。