【Radar】TI毫米波傳感器基礎知識

1.介紹

• 毫米波 (mmWave) 是一類使用短波長電磁波的特殊雷達技術
• 雷達系統發射的電磁波信號被其發射路徑上的物體阻擋繼而會發生反射。通過捕捉反射的信號，雷達系統可以確定物體的距離、速度和角度
• 工作頻率爲 76–81GHz（對應波長約爲 4mm）的毫米波系統將能夠檢測小至零點幾毫米的移動
• 完整的毫米波雷達系統包括髮送 (TX) 和接收 (RX) 射頻 (RF) 組件，以及時鐘等模擬組件，還有模數轉換器 (ADC)、微控制器 (MCU) 和數字信號處理器 (DSP) 等數字組件。
• FMCW 雷達連續發射調頻信號，以測量距離以及角度和速度。這與週期性發射短脈衝的傳統脈衝雷達系統不同

2.距離測量

原理

• 雷達系統中，其基本概念是指電磁信號發射過程中被其發射路徑上的物體阻擋進行的反射。FMCW雷達系統所用信號的頻率隨時間變化呈線性升高。這種類型的信號也稱爲線性調頻脈衝

• 圖 1 以幅度（振幅）相對時間的函數，顯示了線性調頻脈衝信號表示
  

• 圖 2 爲同一個線性調頻脈衝信號（頻率作爲時間的函數）。該線性調頻脈衝具有起始頻率 (fc)、帶寬(B) 和持續時間 (Tc)。該線性調頻脈衝的斜率 (S) 捕捉頻率的變化率。在例子中圖 2 提供的示例中，fc = 77 GHz，B = 4 GHz，Tc = 40 μs，S = 100 MHz/μs
  

• FMCW 雷達系統發射線性調頻脈衝信號，並捕捉其發射路徑中的物體反射的信號。圖 3 所示爲 FMCW雷達主射頻組件的簡化框圖。該雷達的工作原理如下：
  

• 混頻器是一個電子組件，將兩個信號合併到一起生成一個具有新頻率的新信號
  
  
  

• 混頻器輸出信號作爲時間的幅度函數是一個正弦波，因爲它有恆定頻率
  
  

• 圖 5 顯示了接收自不同物體的三個不同的 RX 線性調頻脈衝。每個線性調頻脈衝的延時都不一樣，延時和與該物體的距離成正比。不同的RX 線性調頻脈衝轉化爲多個 IF 單音信號，每個信號頻率恆定
  

• 這個包含多個單音信號的 IF 信號必須使用傅里葉變換加以處理，以便分離不同的-單音

• 傅里葉變換處理將會產生一個具有不同的分離峯值的頻譜，每個峯值表示在特定距離處存在物體

3.距離分辨率

• 距離分辨率是辨別兩個或更多物體的能力
• 當兩個物體靠近到某個位置時，雷達將不能夠將二者區分開
• 但是可以通過演唱IF信號來提高分辨率，要延長IF信號，還必須按比例增加帶寬
• 延長的IF信號會產生一個有兩個分離峯值的IF譜
  
• 因此線性調頻脈衝帶寬爲數GHz的FMCW雷達將有約數釐米的距離分辨率
• （4GHz的線性調頻脈衝帶寬可轉化爲3.75cm的距離分辨率）

4.速度測量

在本節中，讓我們使用相量表示（距離、角度）來求一個複數

兩個線性調頻脈衝進行速度測量

• 相位差通過方程式 6 推導出方程式 10：

同一個距離的多個物體的速度測量

• 如果速度不同的多個移動物體在測量時與雷達的距離相同，則雙線性調頻脈衝速度測量方法不起作用
• 由於物體和雷達的距離相同，因此產生的IF頻率時完全相同的
• 這種情況下，雷達系統必鬚髮射兩個以上的線性調頻脈衝
• 它發射一組 N 個等間隔線性調頻脈衝。這組線性調頻脈衝稱爲線性調頻脈衝幀
  
  
  
  

速度分辨率

5.角度測量

角度估算

最大角視場

• 歡迎關注微信公衆號【電子物語】，有更多好玩的文章等着你 ！