高頻微波技術 - 毫米波雷達的原理與分類

毫米波雷達有穿透力强（不受烟、霧、灰塵影響）、可全天候使用、性能穩定等特點。 囙此毫米波雷達成為彌補雷射、監視器等其他感測器在車載應用中所不具備的使用場景。出於此我們來梳理一下毫米波雷達的資料。

毫米波雷達原理

毫米波雷達本質是利用電磁波訊號被其發射路徑上的物體阻擋繼而會發生反射。 通過捕捉反射訊號，來確定物體的距離、速度和角度。 其波長範圍為1~10mm，頻率範圍為30~300GHz。

但是由於雷達頻率受各國政府嚴格管控，囙此車載毫米波雷達的應用頻段主要集中在24G、60G、77G、79GHz這幾個頻率的應用。

毫米波雷達分類

按工作方式來看，毫米波雷達分為脈衝類型和連續波類型，連續波類型又細分為CW（恒頻連續波，只能測速不能測距）、FSK（頻移鍵控連續波、可探測單個目標的具體和速度）、FMCW（調頻連續波，可對多個目標實現測距和測速，分辯率高，技術成熟）。

脈衝雷達工作原理：脈衝工作方式可以將發射波和回波區分出來，同時可對比接收回波與發射訊號中不同頻率，利用多普勒效應得到目標的速度資訊。 也可以利用回波的時間資訊得到距離資訊。 該管道資料處理原理較簡單，但由於單次脈衝需求功率大，存在間歇期的盲區，在當前毫米波雷達產品中未被採用。

CW恒頻連續波雷達工作原理：對接收訊號與發射訊號的混頻可以得到目標的都卜勒頻率進而得到速度資訊。 但是由於是連續波，不能測得發射訊號的來回時間。 囙此CW雷達不能進行距離量測，只能實現對目標的速度量測。

FMCW雷達工作原理：FMCW雷達的發射頻率隨時間變化呈線性變化，這樣在發射訊號裡面可攜帶時間資訊。 高頻訊號由壓控振盪器產生，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，與接收的回波混頻後低通濾波，得到基帶差頻訊號，經過模數轉換後送至訊號處理器處理。 這樣得到的訊號既能得到時間資訊，也可以得到多普勒效應特徵點。 囙此可同時量測速度和距離資訊。

毫米波雷達的資訊傳輸

以博世第四代MRR為例。 雷達晶片自帶資料處理能力，其一般有兩種訊號傳遞管道。

1.毫米波雷達直接給出提供32個原始目標，並且告知是靜止還是運動目標。 在這種模式下，需要主機廠自行結合視覺算灋，來判斷靜止物體是汽車還是其他障礙物。

2.毫米波雷達控制器基於毫米波的RCS反射面積和不同幀之間反射點情况，從32個原始目標中篩選出功能安全目標，即車輛需要做出反應的目標。

3.囙此在這兩種模式下傳遞的訊號其實已經屬於低數據量的特徵點，故雷達與控制器之間的資料傳輸採用傳統的CAN通訊。

毫米波雷達的優缺點

我們了解了毫米波雷達的具有的優質特性，但是缺點也難以避免，比如毫米波雷達無法提供高度資訊，空間分辯率一般，並且嚴重的是，由於毫米波雷達的工作方式是利用多普勒效應來檢測目標的，這就會導致對於靜態目標產生漏檢的情况，導致自動駕駛系統做出錯誤的決策。

另外由於毫米波雷達晶片基本被博世、NXP、TI壟斷，其中博世和NXP又不對外供貨，導致企業基本用的是TI的晶片，這也導致同質化競爭特別嚴重，另外在電路板以及結構佈局對雷達效能很敏感，基本上這一塊也受一些企業壟斷，比如羅傑斯等。

毫米波雷達的發展方向

1.前向MRR和LRR往高頻率77/79GHz方向演化。

2.毫米波雷達對方位的探測，利用的是波長短的特性，使用陣列天線來構成窄波束。 實現一個雷達覆蓋較寬的方位角。

3.提高雷達頻率，在保持相同增益的條件下，天線孔徑可隨波長的平方倍數减少。 對應雷達尺寸也可降低。

4.同時孔徑减小可提供更窄的波束，毫米波雷達的速度，位移，物體尺寸的探測精度可大幅度提高。