車載雷達的工作原理

毫米波雷達的工作原理

車載毫米波雷達通過天線向外發(fā)射毫米波，再接收目標反射信號，根據(jù)接收的時間差測得目標的位置數(shù)據(jù)和相對距離。經(jīng)處理后快速準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、運動方向等），然后根據(jù)所探知的物體信息進行目標追蹤和識別分類，進而結(jié)合車身動態(tài)信息進行數(shù)據(jù)融合，最終通過中央處理單元（ECU）進行智能處理。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。

毫米波雷達脈沖波方式測量原理

多普勒效應(yīng)，是指當聲音、光和無線電波等振動源與觀測者以相對速度v 運動時，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。當目標向雷達天線靠近時，反射信號頻率將高于發(fā)射信號頻率；反之，當目標遠離天線時，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，通過檢測這個頻率差fb，可以測得目標相對于雷達的移動速度。

假設(shè)毫米波雷達發(fā)射連續(xù)電磁波信號：

s（t）=Acos（ω0t+φ0）

式中：ω0——初相；

A——振幅。

雷達接收到由目標反射的回波信號：

sr（t）=ks（t-tr）=kAcos［ω0（t-tr）+φ0］

式中：tr——回波滯后于發(fā)射信號的時間（tr=2R/c），其中R 為目標和毫米波雷達之間的距離，c 為電磁波傳播速度，在真空傳播時它等于光速；

k——回波的衰減系數(shù)。

如果車輛前方目標相對靜止（即相對速度為零），則目標與雷達的距離R 為常數(shù)。此時，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與目標之間所產(chǎn)生的相位滯后。當目標與毫米波雷達之間有相對運動時，兩者之間的距離R 與時間成正比。

設(shè)目標相對毫米波雷達運動的速度為一定值vr，在t?時刻，目標與毫米波雷達之間的距離

R（t）=R-vrt

式中：R（0）為目標與毫米波雷達在零點時刻的距離。

由式可知，在t時刻接收到的波形sr（t）上的某點，對應(yīng)于（t-tr）時刻發(fā)射的波形上某點。

在實際的工作狀態(tài)中，毫米波雷達和目標間為相對運動速度vr遠小于光速，所以時延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與目標和毫米波雷達之間的相對運動速度成正比例關(guān)系，與毫米波雷達的工作波長λ成反比例關(guān)系。當目標靠近毫米波雷達時，fb大于0，表明接收信號頻率要大于發(fā)射信號頻率；而當目標背離毫米波雷達運動時，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，運用傅里葉變換可求得fb，從而可以求得毫米波雷達與目標之間的相對速度和相對距離。

多普勒測角度原理

毫米波雷達測量障礙物的角度是通過處理多個接收天線收到的信號時延來實現(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”返回，回波頻移為fb并分別被兩個接收線RX1、RX2收到。由于回波的路徑不同，RX1、RX2的回波信號有時間差，根據(jù)時間差可計算出角度。

毫米波雷達調(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結(jié)構(gòu)簡單，體積小，可以同時得到目標的相對距離和相對速度。它的基本原理是當發(fā)射的連續(xù)調(diào)頻信號遇到前方目標時，會產(chǎn)生與發(fā)射信號有一定延時的回波，再通過雷達的混頻器進行混頻處理，而混頻后的結(jié)果與目標的相對距離和相對速度有關(guān)。毫米波雷達測距和測速的計算公式為：

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、精準度就越高。因此，精度更高的77GHz毫米波雷達正努力成為汽車領(lǐng)域主流傳感器。以自適應(yīng)巡航控制（ACC）為例，當車速大于25km/h時，ACC才會起作用，而當車速降低到25km/h以下時，就需要進行人工控制。當將所用雷達升級到77GHz毫米波雷達后，與24GHz毫米波雷達系統(tǒng)相比，識別率提高了3倍，速度和實測值、距離精度提高3～5倍，對前車距離的監(jiān)測更為準確、快速。

最后的話

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