一文帶你了解毫米波雷達(dá)

一、毫米波雷達(dá)簡介

（一）定義

雷達(dá)是英文 Radar 的音譯，源于 Radio Detection and Ranging 的縮寫，原意是“無線電探測和測距”，即用無線電方法發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測定它們在空間的位置。毫米波雷達(dá)是指一種工作在毫米波頻段（millimeter wave）的雷達(dá)傳感器。

國際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布的《無線電規(guī)則》（2020 年）和我國《無線電頻率劃分規(guī)定》中，將無線電頻率在 30-300GHz 的頻段（波長 1-10mm）稱呼為毫米波頻段。

無線電及毫米波頻段劃分圖

目前國內(nèi)使用的 24GHz、60GHz、77GHz、80GHz 等雷達(dá)產(chǎn)品統(tǒng)歸為毫米波雷達(dá)。

（二）基本特性

作為雷達(dá)系列中的高頻段產(chǎn)品，毫米波雷達(dá)具有頻帶寬、波長短、大氣傳播損耗較大等基本特性，各特性對應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)概括如下圖所示。

從上表可以看出，毫米波雷達(dá)具有顯著的實(shí)用優(yōu)勢，但需要說明的是，我們并不是否定其他傳感器的作用，毫米波雷達(dá)的大氣傳播損耗較大，適用于近距離場景，而在遠(yuǎn)程和超遠(yuǎn)程應(yīng)用中，微波雷達(dá)仍然是探測目標(biāo)的主力軍。微波、毫米波、紅外、激光等系統(tǒng)的作用應(yīng)該是互補(bǔ)的、缺一不可的。

（三）核心功能

毫米波雷達(dá)的核心功能包括測距、測速、測方位角、微動探測和4D 成像等，通常雷達(dá)系統(tǒng)是通過同時(shí)測量2-3 個(gè)功能參量而構(gòu)成一個(gè)應(yīng)用產(chǎn)品。圖表列舉了每種功能的典型應(yīng)用及功能介紹。

（四）基本原理

毫米波雷達(dá)三個(gè)基礎(chǔ)的系統(tǒng)功能為距離測量、速度測量和角度測量。以 FMCW 雷達(dá)系統(tǒng)為例，其基本功能實(shí)現(xiàn)原理為：

1、測距原理

FMCW 毫米波雷達(dá)的測距主要是利用發(fā)射信號和回波信號之間的時(shí)延 td，結(jié)合毫米波傳播速度 c、以及目標(biāo)和雷達(dá)的相對速度 v 推算出毫米波雷達(dá)和檢測目標(biāo)的相對距離 R 。

毫米波雷達(dá)具有較高的距離分辨率和測距精度，且可以通過后端算法實(shí)現(xiàn)毫米級的精確測距。

毫米波雷達(dá)測距能力與發(fā)射功率、天線增益、天線波束角和物體反射截面積等因數(shù)有關(guān)。通常發(fā)射功率越大，天線增益越高、天線波束角越窄以及物體反射截面積越大，雷達(dá)能夠檢測到的有效回波就越強(qiáng)，測量距離就越遠(yuǎn)。

2、測速原理

FMCW 毫米波雷達(dá)通常是利用多普勒效應(yīng)來確定目標(biāo)的徑向速度。當(dāng)目標(biāo)向雷達(dá)天線靠近時(shí)，反射信號頻率將高于發(fā)射機(jī)頻率；反之，當(dāng)目標(biāo)遠(yuǎn)離天線而去時(shí)，反射信號頻率將低于發(fā)射機(jī)頻率。

毫米波雷達(dá)測速范圍和目標(biāo)運(yùn)動方向有關(guān)，目標(biāo)靠近雷達(dá)做徑向運(yùn)動，目標(biāo)速度為負(fù)；目標(biāo)遠(yuǎn)離雷達(dá)做徑向運(yùn)動，目標(biāo)速度為正。測速精度數(shù)據(jù)取決于信噪比（衡量雷達(dá)接收信號質(zhì)量的單位）。信噪比高不高，是衡量毫米波雷達(dá)的目標(biāo)檢測性能是否強(qiáng)大的根本參數(shù)。

3、測角原理

關(guān)于毫米波雷達(dá)目標(biāo)方位角的測量，是通過并列的接收天線收到同一目標(biāo)反射的雷達(dá)波相位差計(jì)算得到目標(biāo)的方位角。原理如下圖所示：其中方位角可以通過兩個(gè)接收天線 RX1 和 RX2 之間的幾何距離 d 以及兩天線收到雷達(dá)回波的相位差 b 通過簡單的三角函數(shù)計(jì)算得到。

在角度測量中，毫米波雷達(dá)可以通過MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多輸入多輸出）天線陣列增加系統(tǒng)虛擬孔徑，進(jìn)而獲得更高的分辨率。

（五）系統(tǒng)組成

毫米波雷達(dá)系統(tǒng)主要由天線、射頻前端組件、數(shù)字信號處理器和雷達(dá)控制電路等組成。

射頻前端組件：負(fù)責(zé)毫米波信號調(diào)制、發(fā)射、接收以及回波信號的解調(diào)。單片微波集成電路（MMIC）大大簡化了雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，集成度高、成本低且成品率高，更適合于大規(guī)模生產(chǎn)，是目前主流的毫米波雷達(dá)射頻前端組件集成方式。

數(shù)字信號處理器：通過嵌入不同的信號處理算法，提取從前端采集得到的中頻信號，獲得特定類型的目標(biāo)信息。毫米波雷達(dá)的數(shù)字處理主要算法包括：陣列天線波速形成和掃描算法、信號預(yù)調(diào)理、雜波處理算法、目標(biāo)檢測 / 測量的算法、目標(biāo)分類與跟蹤算法以及信息融合算法。數(shù)字信息處理是毫米波雷達(dá)穩(wěn)定性、可靠性的核心。

天線：可以發(fā)射和接收毫米波，是毫米波雷達(dá)的重要部件，體積小，通常集成在 PCB 板上，按照天線模式可分為遠(yuǎn)程雷達(dá)（開口約 30°，200m）、中程雷達(dá)（開口約 60°，100m）和近程雷達(dá)（開口約 120°，30m）。

控制電路：根據(jù)信號處理器獲得的目標(biāo)信息，結(jié)合雷達(dá)終端動態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，最終通過主處理器進(jìn)行智能處理，對雷達(dá)終端前方出現(xiàn)的障礙物進(jìn)行分析判斷，迅速做出處理和發(fā)出指令，及時(shí)傳輸給報(bào)警顯示系統(tǒng)和制動執(zhí)行系統(tǒng)。

二、毫米波雷達(dá)應(yīng)用

（一）應(yīng)用范圍

毫米波雷達(dá)應(yīng)用范圍涵蓋車規(guī)級、工業(yè)級、消費(fèi)級和醫(yī)療級四類。主要應(yīng)用場景如圖所示。

汽車級應(yīng)用是毫米波雷達(dá)最早的商用場景，同時(shí)也是當(dāng)前毫米波雷達(dá)最大的應(yīng)用市場；工業(yè)級應(yīng)用主要包括智能交通、安防監(jiān)控、智能裝備、智能樓宇、工業(yè)測量等領(lǐng)域，應(yīng)用場景最為廣泛，同時(shí)具備附加值高的特點(diǎn)；消費(fèi)級應(yīng)用主要包括智能家居、智慧康養(yǎng)、消費(fèi)電子等，是近兩年興起速度較快、關(guān)注度較高的新興應(yīng)用領(lǐng)域，未來具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

（二）使用頻率

毫米波雷達(dá)有24GHz、60GHz、77GHz、80GHz、120GHz 等頻段產(chǎn)品。目前，國內(nèi)常用的毫米波雷達(dá)頻段為24GHz、60GHz 和 77GHz 這三個(gè)頻段。24G 毫米波雷達(dá)在各方面性能比較成熟，且成本較低，適用的領(lǐng)域會更廣，例如交通、安防、智能家居、康養(yǎng)醫(yī)療等等；77GHz 毫米波雷達(dá)在精度上相比 24GHz 更高，主要應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，且應(yīng)用規(guī)模已超過 24GHz。

（三）工作體制

根據(jù)輻射電磁波方式不同，毫米波雷達(dá)主要有脈沖體制以及連續(xù)波體制兩種。其中連續(xù)波又可以分為 FSK（頻移鍵控）、PSK（相移鍵控）、CW（恒頻連續(xù)波）、FMCW（調(diào)頻連續(xù)波）等方式，圖表中對比了不同工作體制的優(yōu)勢和不足。

目前，連續(xù)波體制中的調(diào)頻連續(xù)波 FMCW 是主流方案。調(diào)頻連續(xù)波是連續(xù)發(fā)射調(diào)頻信號，以測量距離、角度和速度等。調(diào)頻連續(xù)波不僅能同時(shí)測出多個(gè)目標(biāo)的距離和速度信息，還可對目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)跟蹤。相對其他電磁波雷達(dá)，調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的發(fā)射功率較低、且成本較低，被毫米波雷達(dá)廠商廣泛使用。

（四）競品對比

毫米波雷達(dá)具有探測性能穩(wěn)定、作用距離較長、環(huán)境適用性好等特點(diǎn)。與超聲波雷達(dá)相比，毫米波雷達(dá)具有體積小、質(zhì)量輕和空間分辨率高的特點(diǎn)。與紅外、激光、攝像頭等光學(xué)傳感器相比，毫米波雷達(dá)穿透霧、煙、灰塵的能力強(qiáng)，具有全天候全天時(shí)的特點(diǎn)。各類傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)如圖表所示。

審核編輯 黃宇