毫米波雷達(dá)的工作原理
車載毫米波雷達(dá)通過天線向外發(fā)射毫米波,再接收目標(biāo)反射信號,根據(jù)接收的時(shí)間差測得目標(biāo)的位置數(shù)據(jù)和相對距離。經(jīng)處理后快速準(zhǔn)確地獲取汽車車身周圍的物理環(huán)境信息(如汽車與其他物體之間的相對距離、相對速度、角度、運(yùn)動方向等),然后根據(jù)所探知的物體信息進(jìn)行目標(biāo)追蹤和識別分類,進(jìn)而結(jié)合車身動態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,最終通過中央處理單元(ECU)進(jìn)行智能處理。經(jīng)合理決策后,以聲、光及觸覺等多種方式告知或警告駕駛員,或及時(shí)對汽車做出主動干預(yù),從而保證駕駛過程的安全性和舒適性,減少事故發(fā)生概率。毫米波雷達(dá)系統(tǒng)工作原理框圖如圖所示。
測量原理
測量原理一般分為脈沖波方式和調(diào)頻連續(xù)波方式兩種。
毫米波雷達(dá)脈沖波方式測量原理
多普勒效應(yīng),是指當(dāng)聲音、光和無線電波等振動源與觀測者以相對速度v 運(yùn)動時(shí),觀測者所收到的振動頻率與振動源所發(fā)出的頻率不同的現(xiàn)象。當(dāng)目標(biāo)向雷達(dá)天線靠近時(shí),反射信號頻率將高于發(fā)射信號頻率;反之,當(dāng)目標(biāo)遠(yuǎn)離天線時(shí),反射信號頻率將低于發(fā)射頻率。
多普勒頻移原理:多普勒效應(yīng)所造成的頻率變化稱為多普勒頻移fb,它與相對速度v 成正比,與振動的頻率成反比,通過檢測這個(gè)頻率差fb,可以測得目標(biāo)相對于雷達(dá)的移動速度。
假設(shè)毫米波雷達(dá)發(fā)射連續(xù)電磁波信號:
s(t)=Acos(ω0t+φ0)
式中:ω0——初相;
A——振幅。
雷達(dá)接收到由目標(biāo)反射的回波信號:
sr(t)=ks(t-tr)=kAcos[ω0(t-tr)+φ0]
式中:tr——回波滯后于發(fā)射信號的時(shí)間(tr=2R/c),其中R 為目標(biāo)和毫米波雷達(dá)之間的距離,c 為電磁波傳播速度,在真空傳播時(shí)它等于光速;
k——回波的衰減系數(shù)。
如果車輛前方目標(biāo)相對靜止(即相對速度為零),則目標(biāo)與雷達(dá)的距離R 為常數(shù)。此時(shí),回波與發(fā)射信號之間有固定相位差:
它是電磁波往返于雷達(dá)與目標(biāo)之間所產(chǎn)生的相位滯后。當(dāng)目標(biāo)與毫米波雷達(dá)之間有相對運(yùn)動時(shí),兩者之間的距離R 與時(shí)間成正比。
設(shè)目標(biāo)相對毫米波雷達(dá)運(yùn)動的速度為一定值vr,在t?時(shí)刻,目標(biāo)與毫米波雷達(dá)之間的距離
R(t)=R-vrt
式中:R(0)為目標(biāo)與毫米波雷達(dá)在零點(diǎn)時(shí)刻的距離。
由式可知,在t時(shí)刻接收到的波形sr(t)上的某點(diǎn),對應(yīng)于(t-tr)時(shí)刻發(fā)射的波形上某點(diǎn)。
在實(shí)際的工作狀態(tài)中,毫米波雷達(dá)和目標(biāo)間為相對運(yùn)動速度vr遠(yuǎn)小于光速,所以時(shí)延tr可近似表示為:
與發(fā)射信號相比,兩者之間的相位差為:
相位差隨時(shí)間線性變化,如果vr為常數(shù),則頻率差可以表示為:
fb為多普勒頻移。
fb與目標(biāo)和毫米波雷達(dá)之間的相對運(yùn)動速度成正比例關(guān)系,與毫米波雷達(dá)的工作波長λ成反比例關(guān)系。當(dāng)目標(biāo)靠近毫米波雷達(dá)時(shí),fb大于0,表明接收信號頻率要大于發(fā)射信號頻率;而當(dāng)目標(biāo)背離毫米波雷達(dá)運(yùn)動時(shí),fb小于0,表明接收信號頻率要小于發(fā)射信號頻率。通過數(shù)字信號處理器,運(yùn)用傅里葉變換可求得fb,從而可以求得毫米波雷達(dá)與目標(biāo)之間的相對速度和相對距離。
多普勒測角度原理
毫米波雷達(dá)測量障礙物的角度是通過處理多個(gè)接收天線收到的信號時(shí)延來實(shí)現(xiàn)的。多普勒測角度原理如圖所示,振蕩器TX發(fā)出的發(fā)射波頻率為fo,遇到“目標(biāo)”返回,回波頻移為fb并分別被兩個(gè)接收線RX1、RX2收到。由于回波的路徑不同,RX1、RX2的回波信號有時(shí)間差,根據(jù)時(shí)間差可計(jì)算出角度。
毫米波雷達(dá)調(diào)頻連續(xù)波方式測量原理
目前,大多數(shù)車載毫米波雷達(dá)都采用調(diào)頻連續(xù)波方式,其測量原理如圖
采用調(diào)頻連續(xù)波方式的毫米波雷達(dá)結(jié)構(gòu)簡單,體積小,可以同時(shí)得到目標(biāo)的相對距離和相對速度。它的基本原理是當(dāng)發(fā)射的連續(xù)調(diào)頻信號遇到前方目標(biāo)時(shí),會產(chǎn)生與發(fā)射信號有一定延時(shí)的回波,再通過雷達(dá)的混頻器進(jìn)行混頻處理,而混頻后的結(jié)果與目標(biāo)的相對距離和相對速度有關(guān)。毫米波雷達(dá)測距和測速的計(jì)算公式為:
式中:s——相對距離;
c——光速;
t——信號發(fā)射周期;
f ′——發(fā)射信號與信號的頻率差;
Δf——調(diào)頻帶寬;
fd——多普勒頻率;
f0——發(fā)射信號的中心頻率;
u——相對速度。
77GHz毫米波相較于24GHz毫米波的波長更短,只有3.9mm。頻率越高,波長越短,分辨率、精準(zhǔn)度就越高。因此,精度更高的77GHz毫米波雷達(dá)正努力成為汽車領(lǐng)域主流傳感器。以自適應(yīng)巡航控制(ACC)為例,當(dāng)車速大于25km/h時(shí),ACC才會起作用,而當(dāng)車速降低到25km/h以下時(shí),就需要進(jìn)行人工控制。當(dāng)將所用雷達(dá)升級到77GHz毫米波雷達(dá)后,與24GHz毫米波雷達(dá)系統(tǒng)相比,識別率提高了3倍,速度和實(shí)測值、距離精度提高3~5倍,對前車距離的監(jiān)測更為準(zhǔn)確、快速。
最后的話
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