FMCW调频连续波雷达测量

FMCW调频连续波雷达测量

Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) radar is a form of radar where the frequency of the transmitted signal is continuously varied at a known rate over a defined time period.

锯齿形调制的 FMCW 雷达的基本原理：（a）发射和接收信号，（b）相应的拍频，以及（c）拍频信号处理流程。

调频连续波雷达

雷达系统测量从发射信号离开雷达、击中反射目标并返回雷达的飞行时间。

调频连续波 (FMCW) 雷达是一种雷达形式，其中发射信号的频率在定义的时间段内以已知速率连续变化。雷达接收反射的频率信号并进行比较。发射信号和反射信号之间的差异与飞行时间成正比，因此飞行时间又与距离成正比。

FMCW 类雷达为自动驾驶汽车提供了更高水平的稳健传感。由于其高范围分辨率和精度，Navtech 传感器可生成极其丰富的数据集，这对于提高最恶劣条件下的安全性至关重要。

• 卓越的距离分辨率

• 同时测量目标距离和速度

• 产生可靠的数据

• 低功耗

锯齿波频率调制

可以应用各种形式的频率调制。Navtech 传感器使用的锯齿调制通常用于 FMCW 雷达，其中需要距离信息来进行物体检测。

使用此技术时，距离信息与多普勒速度混合。 

可以在交替扫描时关闭调制，以使用未调制的载波频移来识别速度。这样一来，只需一组雷达即可确定距离和速度。

雷达与激光雷达

雷达波束不是像激光那样的笔形波束，它具有 3D 轮廓。由于雷达会从每次距离测量中返回一个值，因此它能够看穿嘈杂的物体，这是大多数飞行时间传感器无法做到的。

通过将每个方位角分割成一系列径向间隔的强度值，雷达提供了激光雷达所没有的额外维度。正是这种功能使雷达能够构建自上而下的、类似照片的图像，这是激光雷达单元在不实现多个通道的情况下无法做到的。

全天候运行

Navtech 雷达传感器与其他传感器之间的另一个重要区别是其在恶劣天气条件下工作的能力。

雷达信号的较长波长不受雨、雾、灰尘或污垢的影响，因此传感器可用于所有场景，为雷达提供非常大的操作窗口。由于雷达没有镜头，因此不需要清洁，这意味着没有不必要的停机时间。

检测因素

决定我们能看到物体的程度的主要因素是反射回接收器的功率大小。这取决于几个因素，幸运的是，有一个方程可以描述这些因素。

返回到接收天线的反射功率 Pr 由雷达方程给出。这将取决于发射功率、目标范围和目标的反射特性（描述为雷达横截面 σ）。我们知道雷达接收器的灵敏度，雷达方程为我们提供了理论最 大范围 R。

什么是 FMCW 雷达？

调频连续波雷达或 FMCW 雷达系统是一种特殊类型的雷达系统，可测量移动物体的距离和速度。这是通过调制信号在固定时间段内以已知速率连续改变发射信号的频率来实现的。可以使用多种频率调制技术，例如锯齿波调制、三角波调制、正弦波调制、方波调制和步进调制，其中锯齿波和三角波调制最广泛用于改变发射无线电波的频率模式。

FMCW 雷达系统测量发射和接收的回波信号之间的频率差（Δf，由于运行时间）以计算距离，并且还测量多普勒频率（由于多普勒效应）以计算物体的速度。

在FMCW系统中，发射器天线发射调频连续无线电波，来自目标的反射信号被接收天线接收。接收天线的输出通过前置放大器提供给接收器的混频器级。在混频器电路中，部分调频发射信号与接收信号混合，产生新信号，该信号可用于确定移动物体的距离（R）和/或速度。新信号的频率是发射信号和接收（反射）信号的频率之差。

现在，来自混频器输出的信号通过低通滤波器，其中杂波信号（来自建筑物、山丘等静止物体的不需要的回声信号）被滤除。最后，信号经过放大器、A/D转换器，然后输入计算机进行处理，计算出物体的距离和速度

FMCW 雷达的优点

• 毫米波 FMCW 雷达提供高分辨率距离测量（20-30 米范围内可轻松实现 2 厘米分辨率）

• 同时测量目标距离和速度

• 与脉冲雷达系统相比，FMCW 可以快速更新测量（因为 FMCW 毫米波雷达连续传输信号）

• 在多种天气和大气条件下都能正常工作，例如大雨、潮湿、雾和灰尘条件。 

• 不受温差或高温的影响。

• 更好的电气和辐射安全

• 与其他非无线电技术（例如可见光或红外光谱或使用超声波的技术）相比，FMCW 雷达由于信号传播优越而具有良好的覆盖范围。 

• 可以隐形安装（雷达罩后面）

• 可渗透多种材料；因此，FMCW雷达可用于测量或检测隐藏或覆盖的目标

• 比基于多普勒的系统更擅长检测切向运动。

FMCW 雷达的局限性

• 与脉冲雷达相比，范围缩小 

• 比红外和超声波系统等竞争技术更昂贵

• 容易受到其他无线电电子设备的干扰，因为它们在某个频段上连续传输无线电波。

移动物体的距离是如何计算的？

在FMCW技术中，由于发送信号和接收信号之间的运行时间延迟，接收信号频率与发送信号频率相差Δf量。接收器电路的混频器级通过将接收信号频率与发射频率混合来计算频率差Δf。这种频率差称为“拍频”。该频率差 Δf 与距离 (R) 成正比，可用于根据以下公式计算距离。 

该频率与距离 (R) 成正比，可用于根据以下公式计算距离。 

距离 (R) = (cx Δf) / Kf x 2 米

其中 R = 雷达系统与物体之间的距离。 

单位时间内频率变化或频移的斜率（即扫描速率）Kf=BW/T。

BW = 扫频带宽；T = 频率扫描时间。

C = 光速（无线电波的速度）。

运动物体的速度是如何计算的？

FMCW雷达系统的接收系统不仅测量频率差Δf（由于运行时间）以计算距离，而且还测量多普勒频率（由于多普勒效应）以计算物体的速度。以下公式。

如果目标以一定速度 Vo 与雷达连线成 θ 角移动，则 Vr = Vo cos(θ) 是径向速度

这里，f t - 传输信号的频率（以 Hz 为单位）

f r - 接收信号的频率（以 Hz 为单位）

  f dop - 多普勒频率（以 Hz 为单位）

C - 光速 = 3 x 108 m/s 

多普勒效应告诉我们，相对于雷达系统的移动物体会改变雷达系统返回信号的频率。多普勒频率 f dop的表达式如下所示，它取决于发射信号频率 (ft) 或波长 λ 以及物体的 径向速度 (V r )。

如果移动物体正在接近雷达，则整个回波信号的频率增加（即高度上升） f r + f dop，如果物体正在远离雷达，则整个回波信号的频率降低（高度向下）由 fr - f dop。图4中，回波信号高度的频率如图中绿色曲线所示。 

FMCW 雷达的应用

FMCW 雷达具有高精度、重复性、可靠性以及在恶劣条件下非接触式距离测量等特点，使其适用于无人机高度计、钢厂高炉、交通运输应用（包括汽车防撞雷达和航海雷达）、石油和液化天然气油轮和储罐，用于测量产品体积。这些雷达还用于成像和检测、防入侵安全传感器、人体生命体征检测和测量以及用于验证自动化系统中产品尺寸的工业应用。