毫米波雷达原理介绍

姓名：刘方姣  学号：22021211931 电子工程学院

转自：(203条消息) 毫米波雷达原理介绍_晓晨的博客的博客-CSDN博客_毫米波雷达原理

【嵌牛导读】：本文首先介绍了毫米波雷达的概念，特点，后续则对FMCW调频连续波的测距、测速、测角原理进行详细叙述

【嵌牛鼻子】：毫米波雷达

【嵌牛提问】：什么是毫米波雷达？有什么特性？

【嵌牛正文】：

毫米波雷达是指工作在波长为1-10mm的毫米波段，频率为30～300GHz。

基于其工作模式可以分为 “脉冲” 和 “连续波” 两种。其中，脉冲类型的毫米波雷达的原理与激光雷达相似都是采用TOF的方法。而连续波类型可以分为：CW恒频连续波，用于测速; FSK频移键控连续波，可探测单个目标的距离和速度，以及目前所采用的：FMCW调频连续波，探测多个目标的距离和速度。

本文后续则对FMCW调频连续波的测距、测速、测角原理进行详细叙述。

Chirp信号：线性调频脉冲

Chirp信号：是一个频率随着时间线性增加的正弦波，其在振幅时间表示中，如下所示。

我们把它换到频率时间图中，可以看到是一个 斜率S的直线。起始时刻fc=77GHz，在Tc 40微妙的时间中跨越4GHz的带宽，B与S是定义系统性能的重要参数。

我们来简单看一下调频连续波毫米波雷达的工作过程：首先是合成器生成一个Chirp信号，然后通过TX天线发射，同时发送一份数据给混频器，遇到物体反射之后通过RX天线接收回波信号在混频器中生成一个中频信号。

混频器的工作原理如下：

① 合成器生成一个Chirp信号

② TX天线发射

③ RX天线接收反射回来的线性调频脉冲

④ 混频器将TX与RX的信号进行混合，生成中频IF（intermediate frequency）信号

对于输入的两个正弦波，输出的正弦波角速度也就是频率是两个输入信号的差值，相位也是两个输入信号的差值。

IF中频信号及单个目标测距计算

上方图中TX为发射信号，RX为接收信号。两者之间有一个时间延迟τ。

前面介绍混频器的作用时已经说过：混频器生成的IF信号在频率和相位两个方面都是两个输入信号直接相减，所以可以通过下方的f-t图进行表示，即一条频率恒定的直线。

时延τ为物体到雷达到物体所花费的往返时间，可以通过下述表示：

所以雷达前方的单个物体所生成的恒定频率的IF信号可以通过下述进行表示：

对此式稍微进行一些变换，得到物体到雷达的距离为：

距离分辨率

由雷达前方为一个物体推广到前方有多个物体。如右侧上方射频信号的 f-t 图像中所示，雷达发生一个Chrip信号，接收多个从不同物体反射的线性调频脉冲。则右侧下方的IF信号 f-t 图像中也与其对应。

我们前述已经了解到， IF信号的频率与物体到雷达的距离成正比，所以最下方代表物体距离最近，最上方代表物体距离最远。

在理想状态下，经过傅里叶变换，对应到频域中也会出现三个峰值。

一个观测窗口 T 能够区分频率差异大于 1/T Hz的成分。

即：

最后，我们得到结论：距离分辨率取决于毫米波雷达Chirp信号的带宽。

举个例子，在4GHz带宽情况下，可以实现4 cm的距离分辨率。

最远观测距离

如上图所示，毫米波雷达在工作过程中会先对IF信号进行一个低通滤波，然后由ADC（analog to digital converter，模拟信号转换成数字信号）进行数字化，接着被发送到DSP（digital signal processing，数字信号处理器）中进行傅里叶变换估算物体的距离，以及进行后续其他估算物体速度、到达角等信息。