如何免费制作网站,网站icp备案费用,建站之星怎么用,俄罗斯搜索引擎yandex推广入口文章目录1. 雷达的基本概念1.1 毫米波雷达分类1.2 信息的传输1.3 毫米波雷达的信号频段1.4 毫米波雷达工作原理1.4.1 毫米波雷达测速测距的数学原理1.4.2 毫米波雷达测角度的数学原理1.4.3 硬件接口1.4.4 关键零部件1.4.5 数据的协议与格式1.5 车载毫米波雷达的重要参数1.6 车载…
文章目录1. 雷达的基本概念1.1 毫米波雷达分类1.2 信息的传输1.3 毫米波雷达的信号频段1.4 毫米波雷达工作原理1.4.1 毫米波雷达测速测距的数学原理1.4.2 毫米波雷达测角度的数学原理1.4.3 硬件接口1.4.4 关键零部件1.4.5 数据的协议与格式1.5 车载毫米波雷达的重要参数1.6 车载毫米波雷达的三种典型应用2. FMCW雷达的工作流程2.1 线性调频脉冲信号2.2 混频器2.3 单目标距离估计2.4 多目标距离估计2.5 单目标速度估计2.6 多目标速度估计参考文献声明1. 雷达的基本概念 无线电探测及测距Radio Detection and Ranging 发射电磁波并接收目标反射的回波信号通过对比发射信号与回收信号获取目标的位置、速度等信息。
1.1 毫米波雷达分类 雷达的分类 • 所发射电磁波的频段决定了雷达的基本性能特点 • 超视距雷达、微波雷达、毫米波雷达、激光雷达、…
按照用途分类:军用气象导航车载按照波长分类:米分米厘米毫米按照波形分类:脉冲连续波
按照波长和用途分类
长波雷达(米分米)分辨率低穿透性强 ➢一般用于广播军事预警卫星通讯等:短波雷达(厘米毫米)分辨率高穿透性差 ➢一般用于测绘短程通讯车载应用等
按照波形分类
脉冲雷达 ➢通过脉冲发送和接收的时间差来确定目标的距离 ➢不能确定目标的速度连续波雷达 ➢发射信号在时间上是连续的 ➢发射信号的频率是随着时间变化的(调频连续波)
1.2 信息的传输
◼ 调制将调制信号待传输信息混合到载波信号起到载运作 用的信号的过程可分为调频调幅调相。 ◼ 解调相反的过程即从混合信号中恢复出待传输信息。 ◼ 带宽调制信号频谱的宽度带宽高有利于传输更多数据。
毫米波雷达使用的电磁波波长介于1-10mm波长短、频段宽比较 容易实现窄波束雷达分辨率高不易受干扰早期被应用于军事领域随着雷达技术的发展与进步毫米波雷达传 感器开始应用于汽车电子、无人机、智能交通等多个领域。 1.3 毫米波雷达的信号频段
频率24GHz77GHz探测范围 探测距离短探测角度(FOV)大探测距离长探测角度小频段限制24GHz频段因与其他无线电设备共享必须限制发射功率独占频段带宽小于1GHz可达4GHz优势在中短距测距有明显优势探测范围FOV更大波长更短波束更窄识别精度高且穿透力更强带宽更大可兼顾远中近不同场景代表产品大陆 ARS208Hella 24GHz角雷达大陆 ARS408BOSCH LRR4
1.4 毫米波雷达工作原理 在车载毫米波雷达中目前主要有三种调制方案调频连续波Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW频移键控Frequency Shift Keying, FSK以及相移键控Phase Shift Keying, PSK。 主流车载毫米波雷达所采用的的调制信号为调频连续波FMCW。 其基本原理是在发射端发射一个频率随时间变化的信号经目标反射后被接收机接收通过反射信号和接收信号之间的混频得出两个信号的频率差随后通过电磁波传播公式和多普勒效应公式求出目标距离和速度.
⚫ 测距测速是通过分析发射和接收的调频连续之间的区别来实现 ⚫ 测量角度是通过计算不同天线单元之间的延时差来计算
1.4.1 毫米波雷达测速测距的数学原理 这里首先分析 0tT/20tT/20tT/2 时收发信号的关系。在调频连续波雷达中本振信号的频率在半个周期内是随时间成线性关系变化的即fLO(t)f0kt(0tT2){f_{LO}}(t) {f_0} kt{\rm{ }}(0 t \frac{T}{2})fLO(t)f0kt(0t2T) 其中 f0f_0f0 是初始时刻的频率kkk 是频率随时间变化的斜率。因为频率是相位关于时间 ttt 的导数因此相位可以表示为频率关于时间 ttt 的积分即ϕ(t)2π∫f(t)dtπkt22πf0tϕ0\phi (t) 2\pi \int {f(t)dt \pi k{t^2} 2\pi {f_0}t {\phi _0}} ϕ(t)2π∫f(t)dtπkt22πf0tϕ0 其中 ϕ0\phi _0ϕ0 是初始相位因此本振信号关于时间的表达式可以写成VLO(t)V1cos(πkt22πf0tϕ0){V_{LO}}(t) {V_1}\cos (\pi k{t^2} 2\pi {f_0}t {\phi _0})VLO(t)V1cos(πkt22πf0tϕ0) 其中 V1V_1V1 是本振信号的幅度由于该本振信号的频率是随时间呈连续周期性变化的所以称之为调频连续波本振信号经过功率放大器Power Amplifier, PA放大后由天线发射到自由空间中这里把 PA 和天线的总增益记为 G1G_1G1则发射信号为VTX(t)G1V1cos(πkt22πf0tϕ0){V_{TX}}(t) {G_1}{V_1}\cos (\pi k{t^2} 2\pi {f_0}t {\phi _0})VTX(t)G1V1cos(πkt22πf0tϕ0) 该信号经过空气传播到目标表面被目标反射最后由接收机接收信号往返的传播时间为 τττ若雷达和目标的距离为r(t)r(t)r(t)则τ2r(t)c2(r0vt)c\tau \frac{{2r(t)}}{c} \frac{{2({r_0} vt)}}{c}τc2r(t)c2(r0vt) 其中 ccc 为电磁波在空气中的传播速度r0r_0r0 是初始距离vvv 为雷达和目标间的相对速度。 电磁波在空气中传播和被目标反射的过程也会带来一定损耗损耗系数记作 α1α_1α1则接收信号可以表示为VRX(t)α1G1V1cos(πk(t−τ)22πf0(t−τ)ϕ0){V_{RX}}(t) {\alpha _1}{G_1}{V_1}\cos (\pi k{(t - \tau )^2} 2\pi {f_0}(t - \tau ) {\phi _0})VRX(t)α1G1V1cos(πk(t−τ)22πf0(t−τ)ϕ0) 这里再介绍以下混频的概念 混频输出信号频率等于两输入信号频率之和、差或其他组合的电路。 常用方法cosα⋅cosβ[cos(αβ)cos(α−β)]/2\cos \alpha \cdot \cos \beta [\cos (\alpha \beta ) \cos (\alpha - \beta )]/2cosα⋅cosβ[cos(αβ)cos(α−β)]/2 接收信号经过低噪声放大器Low Noise Amplifier, LNA放大后与本振信号进行混频。混频后的信号包含了高频分量和低频分量将该信号通过一个低通滤波器可得假设通带内的增益为单位增益VIF(t)α1G1G2V12cos(2πkτt2πf0τ−πkτ2){V_{IF}}(t) {\alpha _1}{G_1}{G_2}{V_1}^2\cos (2\pi k\tau t 2\pi {f_0}\tau - \pi k{\tau ^2})VIF(t)α1G1G2V12cos(2πkτt2πf0τ−πkτ2) 求导即可求出中频频率混频后的信号经低通滤波后所得低频分量又叫中频频率 ff_{}fIF(intermediate frequency)为是RX与TX之差。fIF(t)≈2kr0c2f0vc{f_{IF}}(t) \approx \frac{{2k{r_0}}}{c} \frac{{2{f_0}v}}{c}fIF(t)≈c2kr0c2f0v 只知道上式是无法求出速度和距离的所以需要用到三角波的原理进行求解三角波有两个斜率一正一负可以得到两个表达式进而可以求解出距离rrr和速度vvv。三角波的周期为 TTT最低频率、最高频率和中心频率分别为 fa、fb、fcf_a、f_b、f_cfa、fb、fc其带宽 Bfb−faBf_b-f_aBfb−fa三角波的斜率为k2BT2(fb−fa)Tk \frac{{2B}}{T} \frac{{2({f_b} - {f_a})}}{T}kT2BT2(fb−fa) 上升、下降区间的中频频率分别为 1_1f1, 2_2f2,斜率为kkk, 光速为ccc,变频后的结果如下f12krc2fcvc{f_1} \frac{{2kr}}{c} \frac{{2{f_c}v}}{c}f1c2krc2fcvf2−2krc2fcvc{f_2} \frac{{ - 2kr}}{c} \frac{{2{f_c}v}}{c}f2c−2krc2fcv 因此可以解出速度和距离v(f1f2)c4fcv \frac{{({f_1} {f_2})c}}{{4{f_c}}}v4fc(f1f2)cr(f1−f2)c4kr \frac{{({f_1} - {f_2})c}}{{4k}}r4k(f1−f2)c
1.4.2 毫米波雷达测角度的数学原理 一对收发机所采集到的信号是不具备角度信息的 因此需要采用多路发射多路接收的架构或者采用相控阵架构。 短波长和小天线孔径就很有必要了 •短波长意味着波束更窄能量更加集中 •更小的孔径尺寸意味着系统上能集成更多的天线单元 这些都有利于提高角分辨率。
天线阵列示意图 1.4.3 硬件接口
⚫ 天线向外发射毫米波接收目标反射信号 ⚫ 信号处理器完成回波信号处理 ⚫ 算法芯片完成原始点云目标的进一步处理 ⚫ CAN接口完成毫米波处理数据的发送以及配置信息的输入
1.4.4 关键零部件
毫米波雷达的天线接发系统 • PCB板实现MMIC(单片微波集成电路) • 包括接收电路单元负责发射与接收连续调频波 毫米波雷达的信号处理芯片 • 包含信号处理器和算法芯片 • 完成回波信号处理与目标感知结果的计算
1.4.5 数据的协议与格式
传输层协议网口UDP/IP协议或者CAN接口
控制器局域网总线CANController Area Network是一种用 于实时应用的串行通讯协议总线
数据格式按照CAN编码机制确定雷达的输入配置信息与输出数据格式
CAN报文 13个字节 信息段5Byte数据段8Byte 数据段按照事先规定好的报文规则进行编码和解码CAN报文解析使用方法 数据内容不同内容使用不同的CAN协议 Cluster类型包含3类messageHeader(数量n)n个数据消息(距离/角度/速度)n个质量消息(数据的方差)(1≤n ≤ 256
1.5 车载毫米波雷达的重要参数
常见参数 测量性能 测距范围 距离/水平角/速度 分辨率 (可对两个物体进行区分的最小单位) 距离/水平角/速度 精度 (测量不确定性) 操作条件 雷达发射功率、传输能力、电源、功耗、操作温度
1.6 车载毫米波雷达的三种典型应用 毫米波雷达具有全天侯适应性是高级别自动驾驶实现必备的环境感知传感器. 77GHz及79GHz雷达是未来车载毫米波雷达的发展方向国内正处于快速追赶时期
2. FMCW雷达的工作流程
PS此部分主要是为了简单理解FMCW雷达的工作原理是对第一章内容的补充。 总结一下FMCW雷达的工作流程
合成器生成一个线性调频信号 ;发射天线( TX )发射线性调频信号;接收天线( RX )捕获目标对线性调频信号的反射;混频器将RX和TX信号合并到一-起生成一个中频(IF )信号。
2.1 线性调频脉冲信号
对于一个脉冲信号
信号的频率随时间的变化线性升高起始频率fcf_cfc,持续时间TcT_cTc带宽BBB,频率变化率SSS
2.2 混频器
作用将TX和RX的信号合并生成一个新的信号IF
TX发射信号x1sin(2πf1tϕ1){x_1} \sin (2\pi {f_1}t {\phi _1})x1sin(2πf1tϕ1) RX接收信号x2sin(2πf2tϕ2){x_2} \sin (2\pi {f_2}t {\phi _2})x2sin(2πf2tϕ2) 中频信号IFxoutsin(2π(f1−f2)tϕ1−ϕ2)sin(2πΔftΔϕ)\begin{array}{c}{x_{out}} \sin (2\pi ({f_1} - {f_2})t {\phi _1} - {\phi _2})\\ \sin (2\pi \Delta ft \Delta \phi )\end{array}xoutsin(2π(f1−f2)tϕ1−ϕ2)sin(2πΔftΔϕ)
对于单个静止目标RX和TX脉冲 之间的时间差是固定为τττ。因此频率差也是固定的也就是说IF是一个频率恒定的单音信号。IF的Δf\Delta fΔfΔϕ\Delta \phiΔϕ用以估计速度和距离。
2.3 单目标距离估计
PS此处估计为了简要分析雷达与目标的相对速度为0. RX和TX之间的时间差为τ2rc\tau \frac{{2r}}{c}τc2rrrr为距离ccc为光速。由此可以推出τ2rc⇒rΔf⋅c2S\tau \frac{{2r}}{c} \Rightarrow r \frac{{\Delta f \cdot c}}{{2S}}τc2r⇒r2SΔf⋅c
从上式可以看出最大探测距离rrr受限于Δf\Delta fΔf的最大值Δf\Delta fΔf受限于以下两个因素
带宽BBB:ΔfB\Delta fBΔfB,因此rB⋅c2Sr \frac{{B \cdot c}}{{2S}}r2SB⋅cIF信号的采样频率FSF_SFS:FS2ΔfF_S2\Delta fFS2Δf 假设一个chirp内的采样频率为NNN,FSN/TcF_SN/T_cFSN/Tc,可得 rFS⋅c4SN⋅c4TcSN⋅c4Br \frac{{{F_S} \cdot c}}{{4S}} \frac{{N \cdot c}}{{4{T_c}S}} \frac{{N \cdot c}}{{4B}}r4SFS⋅c4TcSN⋅c4BN⋅c
最大探测距离主要受限于FsF_sFs并且与BBB成反比
2.4 多目标距离估计 图片来源
来自三个目标的RX接收信号每个信号有不同的延时延时和与目标的距离成正比。不同的RX接收信号转化为多个单音信号每个信号的频率差是恒定的(fb1,fb2,fb3)f_{b1},f_{b2},f_{b3})fb1,fb2,fb3)混频器输出的是多个单音信号的叠加。对该信号进行FFT操作会产生一个具有不同的峰值的频谱每个峰值表示在特定距离处的目标。
距离分辨率是指雷达能区分两个不同目标的最小距离。傅里叶变换理论指出:观测时间窗口T,可以分辨间隔超过1/T1/T1/T Hz的频率分量。因此两个目标反射信号频率差的差值需要满足∣Δf1−Δf2∣1Tc\left| {\Delta {f_1} - \Delta {f_2}} \right| \frac{1}{{{T_c}}}∣Δf1−Δf2∣Tc1根据测距公式∣Δf1−Δf2∣2SΔrc\left| {\Delta {f_1} - \Delta {f_2}} \right| \frac{{2S\Delta r}}{c}∣Δf1−Δf2∣c2SΔr可以得到最小分辨距离Δrc2STcc2B\Delta r \frac{c}{{2S{T_c}}} \frac{c}{{2B}}Δr2STcc2Bc因此从式子中我们可以得到提高分辨率的方法提高带宽BBB,延长chirp信号。
2.5 单目标速度估计
FMCW雷达会发射两个间隔TcT_cTc的线性调频脉冲(两个Chirp) 相应的IF信号为: 在这里有两个近似条件
在一个chirp时间Tc40μs{T_c} 40\mu sTc40μs内目标的移动距离可以近似看成不变。TX与RX的频率基本不变Δf1≈Δf2\Delta {f_1} \approx \Delta {f_2}Δf1≈Δf2
相位计算公式Δϕ2πfτ2πcτλ4πrλ\Delta \phi 2\pi f\tau \frac{{2\pi c\tau }}{\lambda } \frac{{4\pi r}}{\lambda }Δϕ2πfτλ2πcτλ4πr其中fff是发射信号频率τττ是时间延迟λλλ是发射信号波长rrr是目标距离。 相位变化为Δϕ1−Δϕ24π(r1−r2)λ4πvTcλ\Delta {\phi _1} - \Delta {\phi _2} \frac{{4\pi ({r_1} - {r_2})}}{\lambda } \frac{{4\pi v{T_c}}}{\lambda }Δϕ1−Δϕ2λ4π(r1−r2)λ4πvTc用λ4×10−3v10m/s\lambda 4 \times {10^{ - 3}}v10m/sλ4×10−3v10m/s估算得到相位变化为0.4π0.4\pi0.4π,较大。 因此得到速度的估计公式v(Δϕ1−Δϕ2)λ4πTcv \frac{{(\Delta {\phi _1} - \Delta {\phi _2})\lambda }}{{4\pi {T_c}}}v4πTc(Δϕ1−Δϕ2)λ限制∣Δϕ1−Δϕ2∣π{\left| {\Delta {\phi _1} - \Delta {\phi _2}} \right| \pi }∣Δϕ1−Δϕ2∣π时有效则得到vλ4Tcv \frac{\lambda }{{4{T_c}}}v4Tcλ
2.6 多目标速度估计
发射一组M个等间隔线性调频脉冲(M个Chirp), 对N这个维度进行FFT处理(距离FFT) 得到M个频谱。
如果目标距离相同速度不同M个频谱的峰值相同但相位不同包含来自多个目标的相位成分。如果目标距离不同速度不同M个频谱都会出现多个峰值每个峰值的相位都不同。
对M这个维度进行FFT处理(速度FFT) 可以分离多个相位分量。 速度分辨率:雷达能区分两个不同目标的最小速度差。 傅里叶变换理论指出:两个离散频率ω1\omega_1ω1和ω2\omega_2ω2在满足∇ωω1−ω22π/M\nabla \omega {\omega _1} - {\omega _2} 2\pi /M∇ωω1−ω22π/M时是可以分辨的。∇ϕ1−∇ϕ24πTcλ(v1−v2)2π/M\nabla {\phi _1} - \nabla {\phi _2} \frac{{4\pi {T_c}}}{\lambda }({v_1} - {v_2}) 2\pi /M∇ϕ1−∇ϕ2λ4πTc(v1−v2)2π/M(v1−v2)λ2TcMλ2Tf({v_1} - {v_2}) \frac{\lambda }{{2{T_c}M}} \frac{\lambda }{{2{T_f}}}(v1−v2)2TcMλ2TfλTfT_fTf为一帧的时间 提高速度分辨率的方法:提高帧时间Chirp时 间固定的话等价于增加Chirp个数。 参考文献
[1] Milovanovic Vladimir M… On fundamental operating principles and range-doppler estimation in monolithic frequency-modulated continuous-wave radar sensors[J]. Facta universitatis - series: Electronics and Energetics,2018,31(4).声明
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