2.3 車載毫米波雷達

2.3.1 車載毫米波雷達概述

毫米波雷達是工作在毫米波波段探測的雷達。如圖2-9所示，毫米波的波長介于微波和厘米波之間，因此毫米波雷達兼有微波雷達和厘米波雷達的一些優點。

2.3.2 車載毫米波雷達的特點

毫米波雷達波束窄、角分辨力高、頻帶寬、隱蔽性好、抗干擾能力強、體積小、重量輕，其最大優點是可測距離遠。與紅外、激光設備相比較，具有對煙、塵、雨、霧良好的穿透傳播特性，不受惡劣天氣的影響，抗環境變化能力強。

2.3.3 車載毫米波雷達的分類

隨著科技的進步，智能汽車已經成為未來汽車發展的必然趨勢。車載毫米波雷達作為智能汽車的關鍵傳感器之一，越來越得到重視。車載毫米波雷達按照不同的分類方式有著不同的劃分方法，如圖2-10所示。常見的分類方式可以按照工作頻段、探測距離、工作方式三種進行劃分。

1.按照工作頻段劃分

毫米波雷達可用頻段有24GHz、60GHz、77GHz、79GHz。目前，主流車的工作頻率是在24GHz、77GHz頻率段附近。頻率越高，其波長越短，天線尺寸和體積也就越小。因此，高頻段的毫米波雷達具備更高的性能、更寬的帶寬、更好的分辨率優勢。例如：24GHz的雷達測量距離較短，主要應用于汽車后方；77GHz的雷達測量距離較長，主要應用于汽車前方和兩側，如圖2-11所示。

2.按照探測距離劃分

如圖2-12所示，根據車載毫米波雷達的有效探測距離，可以將車載毫米波雷達分為：

1）長距雷達（LRR）。長距雷達的最遠探測距離為250m，探測角度為18°，應用于自適應控制、緊急制動和碰撞避免等控制功能。

2）中距雷達（MRR）。中距雷達的最遠探測距離為120m，探測角度為90°，主要用于盲點檢測、變道輔助等控制功能。

3）短距雷達（SRR）。短距雷達的最遠探測距離為40m，探測角度為110°，主要用于泊車輔助、碰撞預警等控制功能。

3.按照工作方式劃分

根據輻射電磁波方式的不同，毫米波雷達主要有：

1）脈沖式毫米波雷達。脈沖式毫米波雷達向目標發射單一或者連續的窄脈沖信號，通過計算發出電磁波到接收到電磁波之間的時間差來計算本車與目標車之間的距離。脈沖式毫米波雷達需要在極短的時間內發射大功率的信號脈沖，硬件結構復雜、成本高，同時脈沖雷達的收發天線是共用的，因此會存在探測盲區。

2）調頻連續式毫米波雷達。常用的線性調頻連續波雷達的工作頻率隨時間作周期性的線性變化。目標回波信號與發射信號混頻而產生頻差信號，測量頻率差值的大小確定目標的距離，并根據回波的多普勒頻率測定其速度。調頻連續式毫米波雷達不需要較高的峰值功率，從而使得整個系統結構簡單、體積較小、成本較低；雷達發射機和接收機可以同時工作，不存在距離盲區。調頻連續式毫米波雷達適用于汽車的探測需求，因此大部分的車載毫米波雷達采用這種方式。

2.3.4 車載毫米波雷達的安裝位置

如圖2-13所示，車載毫米波雷達的安裝位置大體可分為三類：安裝在汽車正前方的長距離前向毫米波雷達，用于控制車輛的加減速和制動操作；安裝在車輛后保險杠內的后角雷達，可以實現盲點檢測（BSD）、車道變換輔助（LCA）、后向目標橫穿警告（RCTA）等功能；安裝在前保險杠內的前向角雷達，可以配合前向長距離雷達實現報警和控制功能。

2.3.5 車載毫米波雷達的元件組成

毫米波雷達系統主要包括天線、前端收發組件、數字信號處理器（DSP）和控制電路，如圖2-14所示，其中天線和前端收發組件是毫米波雷達的最核心的硬件部分。

1.天線

天線是用來發射雷達信號和接收來自目標的雷達回波信號，是毫米波雷達有效工作的關鍵部件之一。天線的設計要便于安裝在車的頭部，同時天線必須集成在車內而不能影響汽車的外觀。

由于毫米波的波長只有幾個毫米，所以其天線可以做得很小，同時還可以使用多根天線來構成陣列天線，達到窄波束的目的。目前主流方案是微帶陣列，最常見的一種是設計成可集成在印制電路板（PCB）板上的“微帶貼片天線”，如圖2-15所示。

2.前端收發組件

前端收發組件是毫米波雷達的核心射頻部分，負責毫米波信號調制、發射、接收以及回波信號的解調。車載雷達要求前端收發組件具有體積小、成本低、穩定性好等特點，最可行的方法就是將前端收發組件集成化。目前前端收發組件集成的方法主要有混合微波集成電路和單片微波集成電路兩種形式，如圖2-16所示。

3.數字信號處理器

圖2-17所示為毫米波雷達的數字信號處理器，它也是雷達重要的組成部分，通過嵌入不同的信號處理算法，提取從前端采集得到的中頻信號，獲得特定類型的目標信息。毫米波雷達的數字處理主要算法包括陣列天線波速形成和掃描算法、信號預調理、雜波處理算法、目標檢測/測量的算法、目標分類與跟蹤算法以及信息融合算法。數字信息處理是毫米波雷達穩定性、可靠性的核心。

4.控制電路

如圖2-18所示，控制電路是車載毫米波雷達系統實現汽車主動安全控制執行的最后一環，根據信號處理器獲得的目標信息，結合車身動態信息進行數據融合，最終通過主處理器進行智能處理，對車輛前方出現的障礙物進行分析判斷，并迅速做出處理和發出指令，及時傳輸給報警顯示系統、制動執行和轉向系統。

2.3.6 車載毫米波雷達的工作原理

對于常用的線性調頻連續波雷達，其工作頻率隨時間作周期性的線性變化，這樣目標回波信號與發射信號混頻而產生頻差信號，測量頻率差值的大小確定目標的距離，并根據回波的多普勒頻率測定其速度。通過多天線、多發多收以及相關算法的處理，可以實現對多個目標的距離、速度、角度的跟蹤，如圖2-19所示。

所謂多普勒效應，就是當聲音、光和無線電波等振動源與觀測者以相對速度運動時，觀測者所收到的振動頻率與振動源所發出的頻率有不同。因為這一現象是奧地利科學家多普勒最早發現的，所以稱為多普勒效應，如圖2-20所示。

1.測距原理

調頻連續式毫米波雷達測距原理相對復雜，通過采集發射與接收變化頻率相同的三角波之間的微小時間差序列，再經過雷達混頻器計算輸出目標的相對距離和速度信息。調頻連續式雷達的測距原理是根據計算連續發射的毫米波進行三角變換得到結果，如圖2-21所示。

2.測速原理

毫米波雷達測速是基于多普勒效應原理。當發射的電磁波和被探測目標有相對移動時，回波的頻率會和發射波的頻率有所不同。當目標向雷達天線靠近時，反射信號頻率將高于發射信號頻率；反之，當目標遠離天線而去時，反射信號頻率將低于發射信號頻率。這種由多普勒效應所形成的頻率變化稱為多普勒頻移，它與相對速度成正比，與振動的頻率成反比。因此，通過檢測這個頻率差可以測得目標相對于雷達的移動速度，如圖2-22所示。

3.方位角測試原理

通過毫米波雷達的發射天線發射出毫米波后，遇到被監測物體反射回來，再通過毫米波雷達內部并列安裝的多個接收天線，接收到同一監測目標反射回來的若干毫米波的相位差，最后通過相位差就可以計算出被監測目標的方位角了，如圖2-23所示。

2.3.7 車載毫米波雷達的控制策略

車載毫米波雷達通過天線向外發射毫米波，接收目標反射信號，經后方處理后快速、準確地獲取汽車車身周圍的物理環境信息，然后根據所探知的物體信息進行目標追蹤和識別分類，進而結合車身動態信息進行數據融合，最終通過中央處理單元（ECU）進行智能處理，如圖2-24所示。經合理決策后，以聲、光及觸覺等多種方式告知或警告駕駛人，同時可能對汽車轉向和制動系統做出主動干預，從而保證駕駛過程的安全性和舒適性，減少事故發生概率。

2.3.8 車載毫米波雷達的應用實例

近年來隨著元器件水平的不斷提升，電路設計、天線設計等相關技術日益成熟，毫米波雷達在軍事、安防、汽車等多個領域得到了廣泛運用。在汽車領域，毫米波雷達被廣泛地應用在自適應巡航（ACC）、自動緊急制動（AEB）、前/后方碰撞預警（FCW/BCW）、變道輔助（LCA）、盲點檢測（BSD）、倒車輔助（BPA）、泊車輔助（PA）等多種ADAS功能。