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2.3 车载毫米波雷达 |
毫米波雷达是工作在毫米波波段探测的雷达。如图2-9所示，毫米波的波长介于微波和厘米波之间，因此毫米波雷达兼有微波雷达和厘米波雷达的一些优点。
图2-9 毫米波雷达及其特性
毫米波雷达波束窄、角分辨力高、频带宽、隐蔽性好、抗干扰能力强、体积小、重量轻，其最大优点是可测距离远。与红外、激光设备相比较，具有对烟、尘、雨、雾良好的穿透传播特性，不受恶劣天气的影响，抗环境变化能力强。
随着科技的进步，智能汽车已经成为未来汽车发展的必然趋势。车载毫米波雷达作为智能汽车的关键传感器之一，越来越得到重视。车载毫米波雷达按照不同的分类方式有着不同的划分方法，如图2-10所示。常见的分类方式可以按照工作频段、探测距离、工作方式三种进行划分。
图2-10 毫米波雷达的分类
毫米波雷达可用频段有24GHz、60GHz、77GHz、79GHz。目前，主流车的工作频率是在24GHz、77GHz频率段附近。频率越高，其波长越短，天线尺寸和体积也就越小。因此，高频段的毫米波雷达具备更高的性能、更宽的带宽、更好的分辨率优势。例如：24GHz的雷达测量距离较短，主要应用于汽车后方；77GHz的雷达测量距离较长，主要应用于汽车前方和两侧，如图2-11所示。
图2-11 毫米波雷达的工作频段
如图2-12所示，根据车载毫米波雷达的有效探测距离，可以将车载毫米波雷达分为：
1）长距雷达（LRR）。长距雷达的最远探测距离为250m，探测角度为18°，应用于自适应控制、紧急制动和碰撞避免等控制功能。
2）中距雷达（MRR）。中距雷达的最远探测距离为120m，探测角度为90°，主要用于盲点检测、变道辅助等控制功能。
3）短距雷达（SRR）。短距雷达的最远探测距离为40m，探测角度为110°，主要用于泊车辅助、碰撞预警等控制功能。
图2-12 毫米波雷达的探测距离
根据辐射电磁波方式的不同，毫米波雷达主要有：
1）脉冲式毫米波雷达。脉冲式毫米波雷达向目标发射单一或者连续的窄脉冲信号，通过计算发出电磁波到接收到电磁波之间的时间差来计算本车与目标车之间的距离。脉冲式毫米波雷达需要在极短的时间内发射大功率的信号脉冲，硬件结构复杂、成本高，同时脉冲雷达的收发天线是共用的，因此会存在探测盲区。
2）调频连续式毫米波雷达。常用的线性调频连续波雷达的工作频率随时间作周期性的线性变化。目标回波信号与发射信号混频而产生频差信号，测量频率差值的大小确定目标的距离，并根据回波的多普勒频率测定其速度。调频连续式毫米波雷达不需要较高的峰值功率，从而使得整个系统结构简单、体积较小、成本较低；雷达发射机和接收机可以同时工作，不存在距离盲区。调频连续式毫米波雷达适用于汽车的探测需求，因此大部分的车载毫米波雷达采用这种方式。
如图2-13所示，车载毫米波雷达的安装位置大体可分为三类：安装在汽车正前方的长距离前向毫米波雷达，用于控制车辆的加减速和制动操作；安装在车辆后保险杠内的后角雷达，可以实现盲点检测（BSD）、车道变换辅助（LCA）、后向目标横穿警告（RCTA）等功能；安装在前保险杠内的前向角雷达，可以配合前向长距离雷达实现报警和控制功能。
图2-13 毫米波雷达的安装位置
毫米波雷达系统主要包括天线、前端收发组件、数字信号处理器（DSP）和控制电路，如图2-14所示，其中天线和前端收发组件是毫米波雷达的最核心的硬件部分。
天线是用来发射雷达信号和接收来自目标的雷达回波信号，是毫米波雷达有效工作的关键部件之一。天线的设计要便于安装在车的头部，同时天线必须集成在车内而不能影响汽车的外观。
图2-14 毫米波雷达的组成
由于毫米波的波长只有几个毫米，所以其天线可以做得很小，同时还可以使用多根天线来构成阵列天线，达到窄波束的目的。目前主流方案是微带阵列，最常见的一种是设计成可集成在印制电路板（PCB）板上的“微带贴片天线”，如图2-15所示。
前端收发组件是毫米波雷达的核心射频部分，负责毫米波信号调制、发射、接收以及回波信号的解调。车载雷达要求前端收发组件具有体积小、成本低、稳定性好等特点，最可行的方法就是将前端收发组件集成化。目前前端收发组件集成的方法主要有混合微波集成电路和单片微波集成电路两种形式，如图2-16所示。
图2-15 毫米波雷达天线
图2-16 毫米波雷达的前端收发组件
图2-17所示为毫米波雷达的数字信号处理器，它也是雷达重要的组成部分，通过嵌入不同的信号处理算法，提取从前端采集得到的中频信号，获得特定类型的目标信息。毫米波雷达的数字处理主要算法包括阵列天线波速形成和扫描算法、信号预调理、杂波处理算法、目标检测/测量的算法、目标分类与跟踪算法以及信息融合算法。数字信息处理是毫米波雷达稳定性、可靠性的核心。
图2-17 毫米波雷达的数字信号处理器
如图2-18所示，控制电路是车载毫米波雷达系统实现汽车主动安全控制执行的最后一环，根据信号处理器获得的目标信息，结合车身动态信息进行数据融合，最终通过主处理器进行智能处理，对车辆前方出现的障碍物进行分析判断，并迅速做出处理和发出指令，及时传输给报警显示系统、制动执行和转向系统。
图2-18 毫米波雷达的控制电路
对于常用的线性调频连续波雷达，其工作频率随时间作周期性的线性变化，这样目标回波信号与发射信号混频而产生频差信号，测量频率差值的大小确定目标的距离，并根据回波的多普勒频率测定其速度。通过多天线、多发多收以及相关算法的处理，可以实现对多个目标的距离、速度、角度的跟踪，如图2-19所示。
所谓多普勒效应，就是当声音、光和无线电波等振动源与观测者以相对速度运动时，观测者所收到的振动频率与振动源所发出的频率有不同。因为这一现象是奥地利科学家多普勒最早发现的，所以称为多普勒效应，如图2-20所示。
图2-19 毫米波雷达的工作原理
图2-20 多普勒效应
调频连续式毫米波雷达测距原理相对复杂，通过采集发射与接收变化频率相同的三角波之间的微小时间差序列，再经过雷达混频器计算输出目标的相对距离和速度信息。调频连续式雷达的测距原理是根据计算连续发射的毫米波进行三角变换得到结果，如图2-21所示。
图2-21 毫米波雷达的测距原理
毫米波雷达测速是基于多普勒效应原理。当发射的电磁波和被探测目标有相对移动时，回波的频率会和发射波的频率有所不同。当目标向雷达天线靠近时，反射信号频率将高于发射信号频率；反之，当目标远离天线而去时，反射信号频率将低于发射信号频率。这种由多普勒效应所形成的频率变化称为多普勒频移，它与相对速度成正比，与振动的频率成反比。因此，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，如图2-22所示。
通过毫米波雷达的发射天线发射出毫米波后，遇到被监测物体反射回来，再通过毫米波雷达内部并列安装的多个接收天线，接收到同一监测目标反射回来的若干毫米波的相位差，最后通过相位差就可以计算出被监测目标的方位角了，如图2-23所示。
图2-22 毫米波雷达的测速原理
图2-23 毫米波雷达的方位角测试原理
车载毫米波雷达通过天线向外发射毫米波，接收目标反射信号，经后方处理后快速、准确地获取汽车车身周围的物理环境信息，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，最终通过中央处理单元（ECU）进行智能处理，如图2-24所示。经合理决策后，以声、光及触觉等多种方式告知或警告驾驶人，同时可能对汽车转向和制动系统做出主动干预，从而保证驾驶过程的安全性和舒适性，减少事故发生概率。
图2-24 毫米波雷达的控制策略
近年来随着元器件水平的不断提升，电路设计、天线设计等相关技术日益成熟，毫米波雷达在军事、安防、汽车等多个领域得到了广泛运用。在汽车领域，毫米波雷达被广泛地应用在自适应巡航（ACC）、自动紧急制动（AEB）、前/后方碰撞预警（FCW/BCW）、变道辅助（LCA）、盲点检测（BSD）、倒车辅助（BPA）、泊车辅助（PA）等多种ADAS功能。