自动驾驶-毫米波雷达系列基础篇-测速原理
毫米波雷达的测速原理
- 2.1 单目标的测速原理
- 一、傅里叶变换:
- 二、中频信号:
- 三、速度估算原理:
- 2.2 多目标的测速
- 2.3 速度分辨率
- 2.4 雷达的最大测速
问题思考:
1)单个目标雷达如何测速?
2)同一距离处,有多个目标时如何测速?
3)同一距离下,2个目标最小可分辨速度(即速度分辨率)?
4)可测量的最大速度?
2.1 单目标的测速原理
一、傅里叶变换:
FFT变换将时域信号转换为频域;
时域中的正弦波在频域中产生一个峰值。通常,频域中的信号为复数(即每个值都是具有振幅和相位的相量)。
具有相同频率、不同初始相位的正弦信号经过FFT变换,在相同横坐标位置处(频率相等)产生峰值,但峰值信号的相位不同,峰值的相位等于正弦波的初始相位。
二、中频信号:
中频信号IF的初始相位Φ0是IF信号起点对应的时间点的TX信号与RX信号的相位差:
因此,对于与雷达位置为d的物体,IF信号将是一个正弦波,
Asin(2πf_0 t + ϕ_0)
其中 f_0= S*2d/c
Φ_0= 4πd/λ
当物体静止时,发射信号与接收信号的频率差和相位差如下图:
当物体运动时,发射信号不变,接受信号发生Δτ的延时,相位的变化如下图:
当物体运动时,发射信号不变,接受信号发生Δτ的延时,相位的变化如下图:
三、速度估算原理:
FMCW雷达发射间隔为 Tc的两个Chirp,每个反射的Chirp脉冲通过Range-FFT进行处理。对应于每个Chirp的Range-FFT,将在同一位置出现不同相位的峰值。该相位差与物体移动的位移有关。
由于 Δϕ=4πΔd/λ 其中Δd=v*T_c 推导可得 v=λ*Δϕ/(4π*T_c )
2.2 多目标的测速
如果速度不同的多个移动物体在测量时与雷达的距离相同,则双线性调频脉冲速度测量方法将不起作用,由于物体与雷达的距离相同,因而生成的IF信号频率将相同,经过距离FFT会产生单个峰值,该峰值表示距离相同物体的合并信号。为测量速度,必须发射两个以上的Chirp信号。
对同一距离处多个物体的速度估算,需要发射一组N个等间隔的线性调频脉冲,称为“帧”。对于等距不同速的两个物体,在同一帧内,通过Range FFT 后在峰值处提取各相位,并做Doppler FFT,会产生两个具有不同的峰值,其对应的横坐标为各物体的相位差。同距不同速的两个物体的速度分别为v1、v2,如下图:
2.3 速度分辨率
根据离散傅里叶变换理论,两个离散频率 ω1和 ω2仅当Δω> 2π/N 才能进行分辨 。
公式推导如下:
因此,速度分辨率取决于帧的时间,即:
v_res=λ/(2T_f )
2.4 雷达的最大测速
由于速度测量基于相位差,因而会存在速度模糊性,仅当 Δϕ < π时具有非模糊性。
由速度计算公式 v=λ*Δϕ/(4π*T_c ) 可推导出最大速度:
v_max=λ/(4T_c )
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