【毫米波雷達】LFMCW測距/測速原理

一、脈衝雷達&連續波雷達

雷達按照發射信號種類分成脈衝雷達和連續波雷達兩大類

常規脈衝雷達發射週期性的高頻脈衝,連續波雷達發射的是連續波信號。

 

通常,脈衝雷達具有較高的峯值功率和較小的佔空比,而連續波雷達則具有100%的佔空比和較低的功率。如上圖

連續波雷達發射的信號可以是單頻連續波(CW)或者調頻連續波(FMCW),調頻方式也有多種,常見的有三角波、鋸齒波、編碼調製或者噪聲調頻等。其中,單頻連續波雷達僅可用於測速,無法測距,而FMCW雷達既可測距又可測速,並且在近距離測量上的優勢日益明顯。

二、FMCW雷達框圖

調頻連續波雷達如要由收發器和帶微處理器的控制單元組成,收發器如果使用單個天線進行同時發射和接收,FMCW雷達需要鐵氧體環形器來分離發射和接收信號,對隔離度要求較高。當然,若使用收發分離的貼片天線,成本會相對低一點。高頻信號由壓控振盪器(VCO)產生,通過功率分配器將一部分經過額外放大後饋送至發射天線,另一部分耦合至混頻器,與接收的回波混頻、低通濾波,得到基帶差頻信號,經過模數轉換後送至微處理器處理。

三、FMCW雷達的測距/測速原理

FMCW雷達在掃頻週期內發射頻率變化的連續波,被物體反射後的回波與發射信號有一定的頻率差,通過測量頻率差可以獲得目標與雷達之間的距離信息。以三角波調頻連續波爲例來簡單介紹雷達的測距/測速原理。如下圖,紅色爲發射信號頻率,綠色爲接收信號頻率,掃頻週期爲T,掃頻帶寬爲B,發射信號經過目標發射,回波信號會有延時,在三角形的頻率變化中,可以在上升沿和下降沿兩者上進行距離測量。

如果沒有多普勒頻率,上升沿期間的頻率差值等於下降沿期間的測量值。對於運動目標,則上升/下降沿期間的頻率差不同,我們可以通過這二個頻率差來測距和測速。求距離個速度的公式如下(1)(2)所示。

由(1)(2)可知

差拍信號經低通濾波和放大後送數字信號處理器,完成對差拍信號的FFT、檢測,對目標數據進行計算後送顯控終端顯示。

三角波調頻連續波雷達正是通過採用正負調頻斜率來消除距離與速度的耦合,進而進行目標速度的估計。

但是,往往爲了獲得目標的速度信息,雷達通常以幀爲單位,均勻等時間間隔地發出一串chirps信號。然後利用信號相位差來測量出目標的速度。對與每個chirp對應的數字化採樣點執行距離FFT,輸出結果以連續行的形式存儲在矩陣中。處理器接收並處理一幀中所有單個chirp後,開始對chirps串序列進行FFT(多普勒FFT)。

距離FFT(逐行)和多普勒FFT(逐列)的聯合操作可視作每幀對應數字化採樣點的二維FFT。二維FFT可同時分辨出目標的距離和速度。也就是說,二維FFT的峯值位置對應雷達前方目標的距離和速度。

對目標角度信息的解析需要多個RX天線。因此,處理器首先處理每個天線接收到的信號進行二維FFT。隨後,對多個天線所得的二維FFT矩陣進行聯合處理,最後得出目標的到達角

通過以上處理,雷達可以解析出目標的距離、速度和角度等多維信息。雷達的性能指標取決於發射信號的選擇。例如,隨着chirp信號帶寬的增加,距離分辨率隨之提高;速度分辨率隨着幀持續時間的增加而提高。

同樣地,最大可測速度與相鄰chirp信號之間的空間間隔成反比;TX/RX天線的數量對角度分辨率有着決定性的作用。FMCW雷達的有效噪聲帶寬與其調頻時間成反比,調頻時間越長,有效噪聲帶寬越低,分辨率越高。

連續波調頻(FMCW)雷達已廣泛應用於汽車領域,包括從安全到舒適性能的各個方面,例如盲點檢測、換道輔助、自動巡航控制和停車輔助等。無論天氣和周圍的光照條件如何,雷達都能夠可靠、準確地探測和定位障礙物。

上述材料來自雷達通信電子戰的文章整理

 

 

 

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