車載雷達(dá)的工作原理

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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