FMCW毫米波雷达原理一 |
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FMCW毫米波雷达原理一
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1、简介
毫米波雷达的优点是角分辨率高、频带宽因而有利于采用脉冲压缩技术、多普勒颇移大和系统的体积小。目前笔者接触到的有24G毫米波雷达和77G毫米波雷达。 24G毫米波雷达主要应用在交通领域的测距和车辆测速，在其他领域也有使用24G毫米波雷达。 77G毫米波雷达主要应用在无人驾驶，汽车周围的目标检测等领域。 在首次接触雷达时，一头雾水。搞不清一个chirp的时域图和频域图的关系、中频信号以及其他名词的基本概念。在TI培训官网上看到一些毫米波雷达原理的视频才豁然开朗。TI培训官网毫米波传感介绍 本文主要是通俗易通的讲解笔者理解的FMCW毫米波雷达。在学习之前我们想想一下几个问题： 雷达如何检测目标距离的？如果存在多个目标如何处理？雷达检测目标的最小距离是多少？什么因素决定了雷达的最大检测距离？ 2、FMCW毫米波雷达的基本理解（单目标）为了方便对FMCW毫米波雷达工作原理的基本理解，本节采用单目标进行理论分析。 2.1、什么是一个chirp？FMCW雷达发射的一个信号称为chirp。 一个chirp是正弦曲线，其频率随时间线性增加。 幅度与时间的关系和频率与时间的关系如下图： 以一发一收的雷达为例，如下图： 什么是混合？ 一个混合器具有2个输入和1个输出的3个端口设备。 如图：  输出是具有以下条件的正弦曲线：
x
o
u
t
=
s
i
n
[
(
w
1
−
w
2
)
t
+
(
Φ
1
−
Φ
2
)
]
x_{out} =sin[(w_1-w_2)t+(Φ_1-Φ_2)]
xout=sin[(w1−w2)t+(Φ1−Φ2)]特点： （1）、瞬时频率等于两个输入正弦波的瞬时频率之差； （2）、相位等于两个输入正弦波的相位差
2.2、中频信号（IF）的理解
使用f-t图理解中频信号，如下图： 注意：τ通常只占总线性调频时间的一小部分=> TX线性调频的非重叠部分通常可以忽略不计。 例如。 对于最大距离为300m且Tc = 40us的雷达。 τ/ Tc = 5％ 因此，通过对中频信号IF做FFT变换，找出功率最大的频率即可。但是在实际使用中雷达前方不可能仅仅只有一个目标，因此，存在多目标的情况如何处理？ 3、多目标距离分析由第二节可知，单目标对应一个RX，则多目标会存在多个RX，如下图： 雷达的距离分辨率可以间接表示探测目标之间的最小距离。小于这个最小距离，在算法分析中便认为是单个目标。 两个距离相近的目标的图像如下： 可以通过增加中频信号IF的长度来解决这个问题。如下图： 回顾一下之前的内容： 距离为d的物体会产生S2d / c频率的IF峰值；只要频率差Δf> 1 / T，就可以分辨两个峰值。因此，对于两个相距距离Δd的物体，它们的IF频率之差为Δf=S2Δd/ c。由于一个chirp的周期为Tc，这意味着： △ f > 1 T c △f>\frac{1}{T_c} △f>Tc1 即 ： S 2 △ d c > 1 T c 即：\frac{S2△d}{c}>\frac{1}{T_c} 即：cS2△d>Tc1 因 此 ： △ d > c 2 S T c 因此：△d>\frac{c}{2ST_c} 因此：△d>2STcc 根 据 第 一 节 c h i r p 的 时 频 图 可 知 ： 信 号 带 宽 B = 斜 率 S / c h i r p 的 周 期 T c 根据第一节chirp的时频图可知：信号带宽B=斜率S/chirp的周期T_c 根据第一节chirp的时频图可知：信号带宽B=斜率S/chirp的周期Tc 即 ： B = S T c 即：B=ST_c 即：B=STc 则 ： △ d > c 2 B 则：△d>\frac{c}{2B} 则：△d>2Bc 即：距离分辨率△d仅取决于线性调频脉冲扫过的带宽 3.3、雷达的最大检测距离由3.2小结的公式：
S
2
△
d
c
>
1
T
c
\frac{S2△d}{c}>\frac{1}{T_c}
cS2△d>Tc1 可推导出：
f
I
F
_
m
a
x
=
S
2
△
d
m
a
x
c
f_{IF\_max} = \frac{S2△d_{max}}{c}
fIF_max=cS2△dmax 即中频信号的带宽取决于所需的最大距离。 由于IF信号通常经过数字化处理（LPF + ADC），以便在DSP上进行进一步处理。 因此，因此，IF带宽受到ADC采样率（Fs）的限制，即：
F
s
≥
S
2
△
d
m
a
x
c
F_s≥ \frac{S2△d_{max}}{c}
Fs≥cS2△dmax 故ADC的Fs采样率将雷达的最大范围限制为：
d
m
a
x
≥
F
s
c
2
S
d_{max}≥ \frac{F_sc}{2S}
dmax≥2SFsc 如下两个示例A和B的距离分辨率谁大谁小？ 因此Chirp A方案，在获得同样的最大测距性能，允许比Chirp B方案更小的ADC采样时间，平衡硬件性能依赖。 4、总结雷达的测距的工作流程如下： 雷达探测等距离的目标物体，在频谱图上峰值是重叠的，如何进行区分？ 欢迎大家关注我的微信号：redeemer奇 里面有大量的学习资料、各种开源项目持续更新！ 一起交流！一起努力！ 软件下载 | 学习视频 | 嵌入式书籍 | 项目资料 |公众号中持续更新…
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出于我们的目的，可以对混合器进行如下建模。
说明：
中频信号的频谱将显示多个峰值，每个峰值的频率与雷达上每个物体的距离成比例，如下图： 
因此，多目标也是比较容易理解的。重点来了，如果两个目标相距比较近，导致两个目标在频谱图中仅显示一个峰值怎么解决？
在算法分析中是不能分辨这两个目标的，如何解决呢？
从图中可以看出增加一个chirp的发射周期，即增加中频信号的长度，但是相应的带宽从B增加到2B。 因此，增加中频信号的长度，会成比例的增加带宽。即：更大的带宽等于更好的分辨率。
说明： A和B具有相同的分辨率，但是：
事实证明，如果两个物体相对于雷达具有不同的速度，则可以通过进一步的信号处理将这些物体分离出来。 我们将在下一篇文章中进行分析！
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