文章目录

1. 雷达的基本概念
- 1.1 毫米波雷达分类
- 1.2 信息的传输
- 1.3 毫米波雷达的信号频段
- 1.4 毫米波雷达工作原理
- - 1.4.1 毫米波雷达测速测距的数学原理
  - 1.4.2 毫米波雷达测角度的数学原理
  - 1.4.3 硬件接口
  - 1.4.4 关键零部件
  - 1.4.5 数据的协议与格式
- 1.5 车载毫米波雷达的重要参数
- 1.6 车载毫米波雷达的三种典型应用
2. FMCW雷达的工作流程
- 2.1 线性调频脉冲信号
- 2.2 混频器
- 2.3 单目标距离估计
- 2.4 多目标距离估计
- 2.5 单目标速度估计
- 2.6 多目标速度估计
参考文献
声明

1. 雷达的基本概念

无线电探测及测距（Radio Detection and Ranging），发射电磁波并接收目标反射的回波信号，通过对比发射信号与回收信号，获取目标的位置、速度等信息。

1.1 毫米波雷达分类

雷达的分类
• 所发射电磁波的频段，决定了雷达的基本性能特点
• 超视距雷达、微波雷达、毫米波雷达、激光雷达、…

按照用途分类:军用，气象，导航，车载
按照波长分类:米，分米，厘米，毫米
按照波形分类:脉冲，连续波

按照波长和用途分类

长波雷达(米，分米)，分辨率低，穿透性强
➢一般用于广播，军事预警，卫星通讯等:
短波雷达(厘米，毫米)，分辨率高，穿透性差
➢一般用于测绘，短程通讯，车载应用等

按照波形分类

脉冲雷达
➢通过脉冲发送和接收的时间差来确定目标的距离
➢不能确定目标的速度
连续波雷达
➢发射信号在时间上是连续的
➢发射信号的频率是随着时间变化的(调频连续波)

1.2 信息的传输

◼ 调制：将调制信号（待传输信息）混合到载波信号（起到载运作
用的信号）的过程，可分为调频，调幅，调相。
◼ 解调：相反的过程，即从混合信号中恢复出待传输信息。
◼ 带宽：调制信号频谱的宽度，带宽高有利于传输更多数据。

毫米波雷达使用的电磁波波长介于1-10mm，波长短、频段宽，比较容易实现窄波束，雷达分辨率高，不易受干扰
早期被应用于军事领域，随着雷达技术的发展与进步，毫米波雷达传感器开始应用于汽车电子、无人机、智能交通等多个领域。

1.3 毫米波雷达的信号频段

频率	24GHz	77GHz
探测范围	探测距离短，探测角度(FOV)大	探测距离长，探测角度小
频段限制	24GHz频段因与其他无线电设备共享，必须限制发射功率	独占频段
带宽	小于1GHz	可达4GHz
优势	在中短距测距有明显优势；探测范围FOV更大	波长更短波束更窄；识别精度高且穿透力更强；带宽更大可兼顾远中近不同场景
代表产品	大陆 ARS208，Hella 24GHz角雷达	大陆 ARS408，BOSCH LRR4

1.4 毫米波雷达工作原理

在车载毫米波雷达中，目前主要有三种调制方案：调频连续波（Frequency
Modulated Continuous Wave, FMCW），频移键控（Frequency Shift Keying, FSK）以及相移键控（Phase Shift Keying, PSK）。
主流车载毫米波雷达所采用的的调制信号为调频连续波FMCW。

其基本原理是在发射端发射一个频率随时间变化的信号，经目标反射后被接收机接收，通过反射信号和接收信号之间的混频，得出两个信号的频率差，随后通过电磁波传播公式和多普勒效应公式求出目标距离和速度.

⚫ 测距测速是通过分析发射和接收的调频连续之间的区别来实现
⚫ 测量角度是通过计算不同天线单元之间的延时差来计算

1.4.1 毫米波雷达测速测距的数学原理

这里首先分析 0<t<T/20<t<T/20<t<T/2 时收发信号的关系。在调频连续波雷达中，本振信号的频率在半个周期内是随时间成线性关系变化的，即fLO(t)=f0+kt(0<t<T2){f_{LO}}(t) = {f_0} + kt{\rm{ }}(0 < t < \frac{T}{2})fLO(t)=f0+kt(0<t<2T) 其中 f0f_0f0 是初始时刻的频率，kkk 是频率随时间变化的斜率。因为频率是相位关于时间 ttt 的导数，因此相位可以表示为频率关于时间 ttt 的积分，即ϕ(t)=2π∫f(t)dt=πkt2+2πf0t+ϕ0\phi (t) = 2\pi \int {f(t)dt = \pi k{t^2} + 2\pi {f_0}t + {\phi _0}} ϕ(t)=2π∫f(t)dt=πkt2+2πf0t+ϕ0 其中 ϕ0\phi _0ϕ0 是初始相位，因此本振信号关于时间的表达式可以写成VLO(t)=V1cos⁡(πkt2+2πf0t+ϕ0){V_{LO}}(t) = {V_1}\cos (\pi k{t^2} + 2\pi {f_0}t + {\phi _0})VLO(t)=V1cos(πkt2+2πf0t+ϕ0) 其中 V1V_1V1 是本振信号的幅度，由于该本振信号的频率是随时间呈连续周期性变化的，所以称之为调频连续波，本振信号经过功率放大器（Power Amplifier, PA）放大后，由天线发射到自由空间中，这里把 PA 和天线的总增益记为 G1G_1G1，则发射信号为VTX(t)=G1V1cos⁡(πkt2+2πf0t+ϕ0){V_{TX}}(t) = {G_1}{V_1}\cos (\pi k{t^2} + 2\pi {f_0}t + {\phi _0})VTX(t)=G1V1cos(πkt2+2πf0t+ϕ0) 该信号经过空气传播到目标表面，被目标反射，最后由接收机接收，信号往返的传播时间为 τττ，若雷达和目标的距离为r(t)r(t)r(t)，则τ=2r(t)c=2(r0+vt)c\tau = \frac{{2r(t)}}{c} = \frac{{2({r_0} + vt)}}{c}τ=c2r(t)=c2(r0+vt) 其中 ccc 为电磁波在空气中的传播速度，r0r_0r0 是初始距离，vvv 为雷达和目标间的相对速度。
电磁波在空气中传播和被目标反射的过程也会带来一定损耗，损耗系数记作 α1α_1α1，则接收信号可以表示为VRX(t)=α1G1V1cos⁡(πk(t−τ)2+2πf0(t−τ)+ϕ0){V_{RX}}(t) = {\alpha _1}{G_1}{V_1}\cos (\pi k{(t - \tau )^2} + 2\pi {f_0}(t - \tau ) + {\phi _0})VRX(t)=α1G1V1cos(πk(t−τ)2+2πf0(t−τ)+ϕ0) 这里再介绍以下混频的概念：
混频：输出信号频率等于两输入信号频率之和、差或其他组合的电路。
常用方法：cos⁡α⋅cos⁡β=[cos⁡(α+β)+cos⁡(α−β)]/2\cos \alpha \cdot \cos \beta = [\cos (\alpha + \beta ) + \cos (\alpha - \beta )]/2cosα⋅cosβ=[cos(α+β)+cos(α−β)]/2

接收信号经过低噪声放大器（Low Noise Amplifier, LNA）放大后，与本振信号进行混频。混频后的信号包含了高频分量和低频分量，将该信号通过一个低通滤波器可得（假设通带内的增益为单位增益）：VIF(t)=α1G1G2V12cos⁡(2πkτt+2πf0τ−πkτ2){V_{IF}}(t) = {\alpha _1}{G_1}{G_2}{V_1}^2\cos (2\pi k\tau t + 2\pi {f_0}\tau - \pi k{\tau ^2})VIF(t)=α1G1G2V12cos(2πkτt+2πf0τ−πkτ2) 求导，即可求出中频频率（混频后的信号经低通滤波后所得低频分量，又叫中频频率 f

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