调频连续波雷达FMCW测量-距离、方位角、仰角、速度

调频连续波雷达FMCW测量-距离、方位角、仰角、速度

什么是雷达？

雷达技术是在第二次世界大战期间为军事用途而开发的，但现在有许多民用应用，包括空中或海上交通控制、天文学、海洋和气象监测、高度测量、地质观测和汽车应用。

雷达（无线电探测和测距）使用无线电波来探测环境中的物体。它可以确定距离（称为范围）、角位置（方位）和速度。

4D-距离、方位角、仰角、速度

雷达系统包括发射器，其向特定方向发射电磁射频波（雷达信号）。然后雷达接收器检测到目标物体反射的信号（回波）。反射的强度由物体的材料特性、尺寸和形状（雷达截面 RCS）决定。通过处理该反射信号，可以确定目标的特性。

调频连续波雷达

汽车雷达系统使用所谓的调频连续波 (FMCW) 运行。该系统以特定频率发射连续波，然后在一段时间 T 内进行调制。这为发射的信号提供了“时间戳”。然后信号传播到目标，部分信号被反射回来。雷达将检测反射信号，并通过混合它们并处理结果信号来将其与原始信号进行比较。图 1 中显示了简化的原理图。

通过在任何给定时刻将反射波与原始信号进行比较，可以观察到频移 Δf。这种转变允许确定信号或“线性调频脉冲”的每个周期的范围 R。如果通过多个线性调频信号监测信号，基于多普勒效应，将检测到朝向或远离雷达的目标的额外频移 fD，这允许确定目标的速度。最后，如果考虑不同的信道，使用空间分布的天线，可以建立信号的到达方向，以获得目标的2D或3D位置。

这意味着要进行 4D 检测（距离、方位角和仰角方向以及速度），需要对信号进行时空处理。为此，需要对信号进行数字化并保存以供进一步处理。第 一步将是创建所谓的“雷达立方体”。

雷达处理 - 雷达立方体

雷达数据立方体是对存储的雷达数据进行时空处理的三维图形描述。它总结了获取距离、速度和方位信息所需的三个基本步骤。

如上所述，对接收到的信号进行采样以进行处理。第 一步是执行 FFT（快速傅里叶变换），使每个样本对应一个“bin”，以获取所谓“快速时间”内的距离信息。图 4 对此进行了说明。对形成帧的每个线性调频重复该过程。

一旦帧中的所有码片都被采集、保存和处理，就执行多普勒 FFT 以获得有关目标速度的信息。该评估每帧进行一次，即每 N 个线性调频脉冲进行一次。因此，它也被称为“慢时间”。最后，将所有可用通道的空间数据组合起来，得到雷达立方体的第三维，其中包含目标的空间位置信息。雷达立方体的图形表示如图 5 所示。

汽车雷达模块

半导体技术（尤其是硅基技术）的进步促进了汽车雷达的部署。2010 年代初，多通道雷达收发器集成在单个 GaAs（砷化镓）MMIC（单片微波集成电路）上，而如今，硅锗 (SiGe) 的使用提高了集成密度并降低了大规模生产的成本。下一个挑战将是向 CMOS（互补金属氧化物半导体）的过渡，这将允许在芯片上集成更多数字电路，同时保持良好的射频性能。

然而，要实现雷达系统，每个雷达模块必须包括一个或多个 MMIC 收发器，这些收发器发射雷达信号、检测来自障碍物的回波并执行一些信号调节和数字化，以准备原始雷达数据，以便通过处理进行进一步分析单元。后者可以是用于基本处理的微控制器单元（MCU），但随着雷达技术的进步，SoC（片上系统）越来越多地用于实现更复杂的目标分析、检测和跟踪。

图 6 说明了整个接收路径上雷达信号处理的不同步骤。虽然模拟射频处理和数字信号转换始终在 MMIC 上执行，但用于信号分析的接口并不固定。随着雷达架构和信号处理日益复杂，一些步骤（例如第 一次 FFT）已经可以在 MMIC 上执行。此外，还可以将雷达收发器和处理单元组合在单个单片芯片中，用于角雷达等某些应用。

未来，可以实现更复杂的架构，在汽车周围分布多个卫星雷达。然后，雷达模块在将数据（例如范围和点云）传输到中央控制单元（ECU）之前仅执行有限的预处理，然后中央控制单元可以应用更先进的处理和数据融合，而不仅仅是雷达的数据融合。卫星雷达模块以及其他传感器。