毫米波雷达原理(最通俗的解释)
毫米波雷达的原理
毫米波雷达通过发射和接受毫米波雷达,来判断前方物体的距离,速度和角度。车载的77Ghz的毫米波雷达,通常采用调频连续波(FMCW)技术来发射不同频率的毫米波,通过当前发射的毫米波雷达的发射频率和收到的回波的频率,就可以确定物体的距离。本质上将,距离的计算,还是利用了毫米波雷达在空间中飞行的时间来的,而飞行时间是由发射的频率和接受的频率的差来确定。可以理解为,FMCW总是循环往返,有规律的发射不同的频率的毫米波,因为是规律的,我就能知道每个频率对应的时刻,换句话说,频率实际上是记录时间信息的工具。
速度的确定是由多普勒效应来确定,由于物体的移动,使得毫米波雷达发生了频移,进而确定目标的速度。由于收到的回波是同时包含速度和距离的,因此,需要通过傅里叶变换,将收到的信号进行分频,进而确定找出发射出去的频率(发射频率是已知的频率),和由于多普勒变化所引起的频移。
毫米波雷达的角度是通过调整各个天线的相位差,利用波的干涉原理,调整发射的角度。通过回波即可确定目标的角度。
形象地讲,可以将毫米波雷达想象为一个非常非常高速的激光炮,他沿着一个平面的弧度来回扫射(只能是二维平面)。这个激光炮可以很快很快的发射光弹,同时,每个时刻发射的光弹还是不同的,并且光弹在空中飞行速度是固定的,撞到物体后,光弹会反弹回来一部分光(速度依然固定),同时,由于物体的速度不同,光弹撞击物体后,会产生规律的形变。通过收集反射回来的光弹,我们就可以清晰地了解,当前扫射空间中物体的距离(光弹的类型),速度(光弹的形变),角度(光弹的类型,只有那个角度发射了这个子弹)。
毫米波雷达参数包含了:
距离分辨率:沿电磁波传播方向区分两个目标的最小距离差,公式为ΔR = cTp/2 (c为光速,Tp为脉冲的时长)。脉冲时长越短,距离分辨率越高,但是脉冲时长越短,回波的信号越弱。可以想象,一个具有一定长度的光弹(脉冲时长),撞到第一个物体后继续撞到第二个物体,由于光弹有一定的长度,同时覆盖了两个物体,则返回了一个光弹,雷达没有办法分辨是几个物体。如果两个物体大于距离分辨率,则光弹撞到第一个物体后,返回一个回光,剩余继续飞行,撞到了第二个物体,返回另外一个回光,这样就能区分为两个物体了。
速度分辨率:区分目标速度差异的能力,公式为ΔV = λ/(2T)(λ为波长,T为脉冲宽度)。这个和多普勒效应有关,时间越短,脉冲越窄,速度分辨率越高。
角度分辨率:区分同一距离不同角度目标的能力,公式为Δθ ≈ λ/L(L为天线孔径)。由天线孔径与波长决定。波长越短(频率越高),相同孔径下的波束越窄,角度分辨率越高。天线的孔径可以简单理解为天线的长度,平面的情况下,可以理解为面积。
参考资料:
毫米波雷达的分辨率
基础知识:理论与实际距离分辨力的对比