毫米波應(yīng)用，毫米波雷達(dá)技術(shù)再探討，超詳細(xì)

毫米波技術(shù)是當(dāng)前熱門技術(shù)之一，缺乏毫米波，目前取得的諸多進(jìn)展將會(huì)停滯不前。對(duì)于毫米波應(yīng)用，大家所熟知的為5G毫米波、毫米波通信等。在本文中，將對(duì)毫米波雷達(dá)技術(shù)加以詳解，以增進(jìn)大家對(duì)毫米波應(yīng)用的了解。

超聲波雷達(dá)、紅外雷達(dá)、激光雷達(dá)都是通過(guò)對(duì)回波的檢測(cè)，與發(fā)射信號(hào)相比較，得到脈沖或相位的差值，從而計(jì)算出發(fā)射與接收信號(hào)的時(shí)間差。再分別對(duì)應(yīng)于超聲波、紅外線、激光在空氣中的傳播速度，計(jì)算出與障礙物的距離與相對(duì)速度。毫米波雷達(dá)與光學(xué)和紅外線雷達(dá)相比不受目標(biāo)物體形狀顏色的干擾，與超聲波相比不受大氣紊流的影響，因而具有穩(wěn)定的探測(cè)性能;環(huán)境適應(yīng)性好。受天氣和外界環(huán)境的變化的影響小，雨雪，灰塵，陽(yáng)光都對(duì)其沒(méi)有干擾;多普勒頻移大，測(cè)量相對(duì)速度的精度提高。

基于多傳感信息融合的車輛主動(dòng)防碰撞控制系統(tǒng)，就是根據(jù)多傳感器接收到的車輛前方目標(biāo)信息和本車的狀態(tài)信息，利用多源信息融合技術(shù)，識(shí)別出本車前方車輛的距離和速度等狀態(tài)信息，并進(jìn)行碰撞危險(xiǎn)估計(jì)的。顯然，基于多傳感信息融合的車輛主動(dòng)防碰撞控制系統(tǒng)是一種主動(dòng)式的防撞、防抱死的汽車安全系統(tǒng)，它使反應(yīng)時(shí)間、距離、速度三個(gè)方面都能得到優(yōu)化控制，可減少駕駛員的負(fù)擔(dān)和判斷錯(cuò)誤，對(duì)于提高交通安全性將起到重要作用，是實(shí)現(xiàn)汽車自動(dòng)化駕駛的基礎(chǔ)。

在汽車防撞傳感器當(dāng)中，根據(jù)工作原理和工作過(guò)程不同，分為超聲波雷達(dá)、紅外雷達(dá)、激光雷達(dá)以及毫米波雷達(dá)。其中前三種雷達(dá)，都是通過(guò)對(duì)回波的檢測(cè)，與發(fā)射信號(hào)相比較，得到脈沖或相位的差值，從而計(jì)算出發(fā)射與接收信號(hào)的時(shí)間差。再分別對(duì)應(yīng)于超聲波、紅外線、激光在空氣中的傳播速度，計(jì)算出與障礙物的距離與相對(duì)速度。這三種采用聲光原理設(shè)計(jì)出的汽車防撞雷達(dá)雖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，但容易受到惡劣氣象條件干擾，無(wú)法確保測(cè)距精度。毫米波雷達(dá)則顯示出它特有的優(yōu)點(diǎn)，與光學(xué)和紅外線雷達(dá)相比不受目標(biāo)物體形狀顏色的干擾，與超聲波相比不受大氣紊流的影響，因而具有穩(wěn)定的探測(cè)性能;環(huán)境適應(yīng)性好。受天氣和外界環(huán)境的變化的影響小，雨雪，灰塵，陽(yáng)光都對(duì)其沒(méi)有干擾;多普勒頻移大，測(cè)量相對(duì)速度的精度提高。

下面我們就逐步介紹主流的傳感器技術(shù)，目前最受關(guān)注的傳感手段是運(yùn)用毫米波進(jìn)行測(cè)量的雷達(dá)系統(tǒng)。今天先介紹毫米波雷達(dá)技術(shù)。

雷達(dá)為利用無(wú)線電回波以探測(cè)目標(biāo)方向和距離的一種裝置。雷達(dá)為英文Radar一詞的譯音，該字詞是由Radio DetectionAnd Ranging一語(yǔ)的前綴縮寫而成，為無(wú)線電探向與測(cè)距的意思。全世界開始熟悉雷達(dá)是在1940年的不列顛空戰(zhàn)中，七百架載有雷達(dá)的英國(guó)戰(zhàn)斗機(jī)，擊敗兩千架來(lái)襲的德國(guó)轟炸機(jī)，因而改寫了歷史。二次大戰(zhàn)后，雷達(dá)開始有許多和平用途。在天氣預(yù)測(cè)方面，它能用來(lái)偵測(cè)暴風(fēng)雨;在飛機(jī)輪船航行安全方面，它可幫助領(lǐng)港人員及機(jī)場(chǎng)航管人員更有效地完成他們的任務(wù)。

毫米波，是工作在毫米波波段(millimeter wave)，工作頻率在 30～100GHz，波長(zhǎng)在1～10mm之間的電磁波。毫米波的波長(zhǎng)介于微波和厘米波之間，因此毫米波雷達(dá)兼有微波雷達(dá)和光電雷達(dá)的一些優(yōu)點(diǎn)。車用毫米波雷達(dá)主要包括24GHz和77GHz毫米波雷達(dá)。

同厘米波導(dǎo)引頭相比，毫米波導(dǎo)引頭具有體積小、質(zhì)量輕和空間分辨率高的特點(diǎn)。與紅外、激光、電視等光學(xué)導(dǎo)引頭相比，毫米波導(dǎo)引頭穿透霧、煙、灰塵的能力強(qiáng)，具有全天候(大雨天除外)全天時(shí)的特點(diǎn)。毫米波雷達(dá)可以全天候工作，不受天氣狀況的影響，而惡劣的氣候環(huán)境正是導(dǎo)致交通事故的主要原因之一。毫米波與光波相比，它們利用大氣窗口(毫米波與亞毫米波在大氣中傳播時(shí)，由于氣體分子諧振吸收所致的某些衰減為極小值的頻率)傳播時(shí)的衰減小，受自然光和熱輻射源影響小。

毫米波在雷達(dá)中應(yīng)用的主要限制有：雨、霧和濕雪等高潮濕環(huán)境的衰減，以及大功率器件和插損的影響會(huì)降低毫米波雷達(dá)的探測(cè)距離;樹叢穿透能力差，相比微波，對(duì)密樹叢穿透力低。

毫米波和大多數(shù)微波雷達(dá)一樣，有波束的概念，也就是發(fā)射出去的電磁波是一個(gè)錐狀的波束，而不像激光是一條線。這是因?yàn)檫@個(gè)波段的天線，主要以電磁輻射，而不是光粒子發(fā)射為主要方法。這一點(diǎn)，雷達(dá)和超聲是一樣，這個(gè)波束的方式，導(dǎo)致它優(yōu)缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)，可靠，因?yàn)榉瓷涿娲?，缺點(diǎn)，就是分辨力不高。毫米波雷達(dá)可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行有無(wú)檢測(cè)、測(cè)距、測(cè)速以及方位測(cè)量。

說(shuō)起測(cè)距的原理，其實(shí)也簡(jiǎn)單，都是基于TOF(Time OfFlight)原理。雷達(dá)工作原理與聲波的反射情形十分類似，差別只在于其所使用的波是一個(gè)頻率很高的無(wú)線電波，而非聲波。雷達(dá)的發(fā)射機(jī)相當(dāng)于發(fā)出喊叫聲的聲帶，可以發(fā)出類似喊叫聲的電脈沖(Pulse)，雷達(dá)的指向天線就好像喊話筒，使電脈沖的能量，能集中某一方向發(fā)射。接收機(jī)的作用則與人耳相仿，用以接收雷達(dá)發(fā)射機(jī)所發(fā)出電脈沖的回波。

毫米波雷達(dá)測(cè)速和普通雷達(dá)一樣，有兩種方式，一個(gè)基于多普勒效應(yīng)(Dopler Effect)原理。所謂多普勒效應(yīng)就是，當(dāng)聲音，光和無(wú)線電波等振動(dòng)源與觀測(cè)者以相對(duì)速度V相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測(cè)者所收到的振動(dòng)頻率與振動(dòng)源所發(fā)出的頻率有所不同。因?yàn)檫@一現(xiàn)象是奧地利科學(xué)家多普勒最早發(fā)現(xiàn)的，所以稱之為多普勒效應(yīng)。也就是說(shuō)，當(dāng)發(fā)射的電磁波和被探測(cè)目標(biāo)有相對(duì)移動(dòng)、回波的頻率會(huì)和發(fā)射波的頻率不同。

當(dāng)目標(biāo)向雷達(dá)天線靠近時(shí)，反射信號(hào)頻率將高于發(fā)射機(jī)頻率;反之，當(dāng)目標(biāo)遠(yuǎn)離天線而去時(shí)，反射信號(hào)頻率將低于發(fā)射機(jī)率。由多普勒效應(yīng)所形成的頻率變化叫做多普勒頻移，它與相對(duì)速度V成正比，與振動(dòng)的頻率成反比。如此，通過(guò)檢測(cè)這個(gè)頻率差，可以測(cè)得目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的移動(dòng)速度，也就是目標(biāo)與雷達(dá)的相對(duì)速度。根據(jù)發(fā)射脈沖和接收的時(shí)間差，可以測(cè)出目標(biāo)的距離。同時(shí)用頻率過(guò)濾方法檢測(cè)目標(biāo)的多普勒頻率譜線，濾除干擾雜波的譜線，可使雷達(dá)從強(qiáng)雜波中分辨出目標(biāo)信號(hào)。所以脈沖多普勒雷達(dá)比普通雷達(dá)的抗雜波干擾能力強(qiáng)，能探測(cè)出隱蔽在背景中的活動(dòng)目標(biāo)。脈沖多普勒雷達(dá)于20世紀(jì)60年代研制成功并投入使用。

多普勒雷達(dá)就是利用多普勒效應(yīng)進(jìn)行定位，測(cè)速，測(cè)距等工作的雷達(dá)。但是這種方法無(wú)法探測(cè)切向速度，第二種方法就是通過(guò)跟蹤位置，進(jìn)行微分得到速度。

對(duì)于車輛安全來(lái)說(shuō)，最主要的判斷依據(jù)是兩車之間的相對(duì)距離和相對(duì)速度信息。高速行駛中的車輛如果距離過(guò)近，則容易造成追尾事故。因此，常用的防撞系統(tǒng)都將對(duì)車輛之間的相對(duì)距離的測(cè)量作為主要的檢測(cè)任務(wù)。

目前市面上的毫米波雷達(dá)有 24GHz，77GHz 兩種規(guī)格。其中，77GHz 毫米波雷達(dá)主要用在車的正前方，用于對(duì)中遠(yuǎn)距離物體的探測(cè)，24GHz 毫米波雷達(dá)一般被安裝在車側(cè)方和后方，用于盲點(diǎn)檢測(cè)，輔助停車系統(tǒng)等。

雷達(dá)的工作體制主要分為脈沖方式和連續(xù)波方式。連續(xù)波(ContinuousWave:CW)雷達(dá)是指發(fā)射連續(xù)波信號(hào)，主要用來(lái)測(cè)量目標(biāo)的速度。如需要同時(shí)測(cè)量目標(biāo)的距離，則需要對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，例如對(duì)連續(xù)波的正弦波信號(hào)進(jìn)行周期性的頻率調(diào)制。而脈沖雷達(dá)發(fā)射的波形是矩形脈沖，按一定的或者交錯(cuò)的重復(fù)周期工作。

現(xiàn)代脈沖雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟了，但是從原理上來(lái)講同時(shí)解決距離和速度測(cè)量的模糊問(wèn)題是不可能的，這就需要采用多重復(fù)脈沖頻率(PRF)的方法來(lái)解決距離和速度模糊，因而不僅使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸率下降，而且不利于信噪比(SNR)的提高。而連續(xù)波雷達(dá)，例如用偽碼或者隨機(jī)碼0～π 調(diào)相的連續(xù)波雷達(dá)，則可以很好地解決脈沖雷達(dá)盲區(qū)的問(wèn)題，且有良好的速度和距離分辨率。

同時(shí)在近程雷達(dá)系統(tǒng)或者次級(jí)雷達(dá)中，連續(xù)波雷達(dá)和脈沖雷達(dá)相比具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：特別是隨著當(dāng)今世界微波固態(tài)器件的發(fā)展，利用連續(xù)波雷達(dá)能使雷達(dá)更為簡(jiǎn)單，其原因在于連續(xù)波雷達(dá)的發(fā)射機(jī)無(wú)需甚高壓，不會(huì)產(chǎn)生高壓打火，并且調(diào)制信號(hào)可以多樣化，這在相同體積和重量下有利于發(fā)射機(jī)的提高。這樣，連續(xù)波雷達(dá)可以做到體積小、重量輕、發(fā)射機(jī)容易實(shí)現(xiàn)而且饋線損耗也較低。

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