第三節　毫米波雷達

一、毫米波雷達的定義

毫米波雷達是工作在毫米波頻段的雷達，如圖2-12所示。毫米波是指波長在1～10mm的電磁波，對應的頻率范圍為30～300GHz。毫米波雷達是ADAS核心傳感器，主要用于自適應巡航控制系統、自動緊急制動系統、盲區監測系統、行人檢測系統等。

毫米波位于微波與遠紅外波相交疊的波長范圍，所以毫米波兼有這兩種波譜的優點，同時也有自己獨特的性質。根據波的傳播理論，頻率越高，波長越短，分辨率越高，穿透能力越強，但在傳播過程的損耗也越大，傳輸距離越短；頻率越低，波長越長，繞射能力越強，傳輸距離越遠。所以與微波相比，毫米波的分辨率高，指向性好，抗干擾能力強和探測性能好。與紅外波相比，毫米波的大氣衰減小，對煙霧和灰塵具有更好的穿透性，受天氣影響小。

二、毫米波雷達的特點

毫米波雷達具有以下優點。

（1）探測距離遠　毫米波雷達探測距離遠，最遠可達250m左右。

（2）響應速度快　毫米波的傳播速度與光速一樣，并且其調制簡單，配合高速信號處理系統，可以快速地測量出目標的角度、距離、速度等信息。

（3）適應能力強　毫米波具有很強的穿透能力，在雨、雪、大霧等惡劣天氣依然可以正常工作，而且不受顏色與溫度的影響。

毫米波雷達的缺點是覆蓋區域呈扇形，有盲點區域；無法識別道路標線、交通標志和交通信號燈。

三、毫米波雷達的類型

毫米波雷達可以按照工作原理、探測距離和頻段進行分類。

（1）按工作原理分類　毫米波雷達按工作原理的不同可以分為脈沖式毫米波雷達與調頻式連續毫米波雷達兩類。脈沖式毫米波雷達通過發射脈沖信號與接收脈沖信號之間的時間差來計算目標距離；調頻式連續毫米波雷達是利用多普勒效應測量得出不同目標的距離和速度。脈沖方式測量原理簡單，但由于受技術、元器件等方面的影響，實際應用中很難實現。目前，大多數車載毫米波雷達都采用調頻式連續毫米波雷達。

（2）按探測距離分類　毫米波雷達按探測距離可分為近距離（SRR）、中距離（MRR）和遠距離（LRR）毫米波雷達。

（3）按頻段分類　毫米波雷達按采用的毫米波頻段不同，劃分有24GHz、60GHz、77GHz和79GHz毫米波雷達，主流可用頻段為24GHz和77GHz，如圖2-13所示。79GHz有可能是未來發展趨勢。

77GHz毫米波雷達與24GHz毫米波雷達相比具有以下不同。

①77GHz毫米波雷達探測距離更遠。

②77GHz毫米波雷達的體積更小。

③77GHz毫米波雷達所需要的工藝更高。

④77GHz毫米波雷達的檢測精度更好。

⑤相對于24GHz毫米波雷達的射頻芯片，77GHz雷達射頻的芯片更不易獲取。

四、毫米波雷達的測量原理

調頻式連續毫米波雷達是利用多普勒效應測量得出不同目標的距離和速度，它通過發射源向給定目標發射毫米波信號，并分析發射信號時間、頻率和反射信號時間、頻率之間的差值，精確測量出目標相對于雷達的距離和運動速度等信息。

雷達調頻器通過天線發射毫米波信號，發射信號遇到目標后，經目標的反射會產生回波信號，發射信號與回波信號相比形狀相同，時間上存在差值；當目標與雷達信號發射源之間存在相對運行時，發射信號與回波信號之間除存在時間差外，還會產生多普勒頻率，如圖2-14所示。

毫米波雷達測距和測速的計算公式分別為

　　（2-1）

　　（2-2）

式中，s為相對距離；c為光速；Δt為發射信號與回波信號的時間間隔；T為信號發射周期；f'為發射信號與反射信號的頻率差；Δf為調頻帶寬；f_d為多普勒頻率；f₀為發射信號的中心頻率；u為相對速度。

五、毫米波雷達的目標識別流程

毫米波雷達的目標識別是通過分析回波特征信息，采用數學手段通過各種特征空間變換來抽取目標的特性參數，如大小、材質、形狀等，并將抽取的特性參數與已建立的數據庫中的目標特征參數進行比較、辨別和分類，其流程如圖2-15所示。

（1）特征信息提取　利用發射源與目標處于相對靜止狀態時的中頻信號可以進行目標特征信息的提取，以有效進行目標識別。

（2）特征空間變換　特征空間變換是利用梅林變換、沃爾什變換、馬氏距離線性變換等正交變換方法，解除不同目標特征間的相關性，加強不同目標特征間的可分離性，最終剔除冗余特征，達到減少計算量的目的。

（3）識別算法　識別算法主要有空目標去除、無效目標去除和靜止目標去除。

（4）目標特征庫的建立　目標特征庫的建立有3種方法：通過實際試驗數據建立，通過半實物仿真數據建立，通過虛擬仿真數據建立。

（5）識別結果輸出　把識別結果輸出到有關的控制系統中，完成相應的控制功能。

六、毫米波雷達的應用

毫米波雷達廣泛應用于智能網聯汽車的自適應巡航控制系統、前向碰撞預警系統、自動緊急制動系統、盲區監測系統、自動泊車輔助系統、變道輔助系統等先進駕駛輔助系統（ADAS）中，見表2-3。

為了滿足不同距離范圍的探測需要，一輛汽車上會安裝多個近距離、中距離和遠距離毫米波雷達。其中24GHz雷達系統主要實現近距離（SRR）探測，77GHz雷達系統主要實現中距離（MRR）和遠距離（LRR）探測。不同的毫米波雷達在車輛前方、側方和后方發揮不同的作用。

毫米波雷達在智能網聯汽車ADAS中的應用如圖2-16所示。例如自適應巡航控制需要3個毫米波雷達，車輛正中間一個77GHz的LRR，探測距離在150～250m之間，角度為10°左右；車輛兩側各一個24GHz的SRR，角度都為30°，探測距離在50～70m之間。

七、毫米波雷達的布置

毫米波雷達在智能網聯汽車上的布置如圖2-17所示，它分為正向毫米波雷達布置、側向毫米波雷達布置和毫米波雷達布置高度。

（1）正向毫米波雷達布置　正向毫米波雷達一般布置在車輛中軸線，外露或隱藏在保險杠內部。雷達波束的中心平面要求與路面基本平行，考慮雷達系統誤差、結構安裝誤差、車輛載荷變化后，需保證與路面夾角的最大偏差不超過5°。

另外，在某些特殊情況下，正向毫米波雷達無法布置在車輛中軸線上時，允許正Y向最大偏置距離為300mm，偏置距離過大會影響雷達的有效探測范圍。

（2）側向毫米波雷達布置　側向毫米波雷達在車輛四角呈左右對稱布置，前側向毫米波雷達與車輛行駛方向成45°夾角，后側向毫米波雷達與車輛行駛方向成30°夾角，雷達波束的中心平面與路面基本平行，角度最大偏差仍需控制在5°以內。

（3）毫米波雷達布置高度　毫米波雷達在Z方向探測角度一般只有±5°，雷達安裝高度太高會導致下盲區增大，太低又會導致雷達波束射向地面，地面反射帶來雜波干擾，影響雷達的判斷。因此，毫米波雷達的布置高度（即地面到雷達模塊中心點的距離），一般建議在500mm（滿載狀態）至800mm（空載狀態）之間。

毫米波雷達在布置時，還需要兼顧考慮其他因素，如雷達區域外造型的美觀性、對行人保護的影響、設計安裝結構的可行性、雷達調試的便利性、售后維修成本等。