雷達(dá)按照發(fā)射信號(hào)的種類可分成脈沖雷達(dá)和連續(xù)波雷達(dá)，常規(guī)脈沖雷達(dá)發(fā)射周期性的調(diào)制脈沖信號(hào)，而連續(xù)波雷達(dá)發(fā)射的是連續(xù)波信號(hào)。通常，脈沖雷達(dá)具有較高的峰值功率和較小的占空比，而連續(xù)波雷達(dá)則具有100%的占空比和較低的功率。

FMCW雷達(dá)在發(fā)射功率低的情況下實(shí)現(xiàn)高分辨率的場(chǎng)景中十分有用，包括汽車?yán)走_(dá)，近距成像和其他許多應(yīng)用場(chǎng)景。今天和大家分享的是調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的基礎(chǔ)知識(shí)和應(yīng)用場(chǎng)景，從中可以看出其優(yōu)勢(shì)和潛在價(jià)值。

FMCW雷達(dá)基礎(chǔ)

連續(xù)波雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)可以是單頻連續(xù)波(CW)或者調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)，調(diào)頻方式也有多種，常見的有三角波、鋸齒波、編碼調(diào)制或者噪聲調(diào)頻等。單頻連續(xù)波雷達(dá)僅可用于測(cè)速，無(wú)法測(cè)距，而FMCW雷達(dá)既可測(cè)距又可測(cè)速，在近距離測(cè)量上的優(yōu)勢(shì)日益明顯。

FMCW雷達(dá)在掃頻周期內(nèi)發(fā)射頻率變化的連續(xù)波，被物體反射后的回波與發(fā)射信號(hào)有一定的頻率差，通過(guò)測(cè)量頻率差可以獲得目標(biāo)與雷達(dá)之間的距離信息，該差頻信號(hào)頻率較低，一般為KHz，因此硬件處理相對(duì)簡(jiǎn)單、適合數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)框圖如下：

高頻信號(hào)由壓控振蕩器產(chǎn)生，通過(guò)功率分配器將一部分經(jīng)過(guò)額外放大后饋送至發(fā)射天線，另一部分耦合至混頻器，與接收的回波混頻后低通濾波，得到基帶差頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后送至信號(hào)處理器處理。

FMCW雷達(dá)的測(cè)距/測(cè)速原理

下面以三角波調(diào)頻連續(xù)波為例來(lái)簡(jiǎn)單介紹雷達(dá)的測(cè)距和測(cè)速原理。如下圖，紅色為發(fā)射信號(hào)頻率，綠色為接收信號(hào)頻率，掃頻周期為T，掃頻帶寬為B，發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)目標(biāo)發(fā)射，回波信號(hào)會(huì)有延時(shí)，在三角形的頻率變化中，可以在上升沿和下降沿兩者上進(jìn)行距離測(cè)量。

如果沒有多普勒頻率，上升沿期間的頻率差值等于下降沿期間的測(cè)量值。對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，則上升/下降沿期間的頻率差不同，我們可以通過(guò)這二個(gè)頻率差來(lái)計(jì)算距離和速度。

差頻信號(hào)經(jīng)低通濾波和放大后送數(shù)字信號(hào)處理器，完成對(duì)差頻信號(hào)的FFT、檢測(cè)，對(duì)目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后送顯控終端顯示。三角波調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)正是通過(guò)采用正負(fù)調(diào)頻斜率來(lái)消除距離與速度的耦合，進(jìn)而進(jìn)行目標(biāo)速度的估計(jì)。

但是，往往為了獲得目標(biāo)的速度信息，雷達(dá)通常以幀為單位，均勻等時(shí)間間隔地發(fā)出一串chirps信號(hào)。然后利用信號(hào)相位差來(lái)測(cè)量出目標(biāo)場(chǎng)中目標(biāo)的速度。對(duì)與每個(gè)chirp對(duì)應(yīng)的數(shù)字化采樣點(diǎn)執(zhí)行距離FFT，輸出結(jié)果以連續(xù)行的形式存儲(chǔ)在矩陣中。處理器接收并處理一幀中所有單個(gè)chirp后，開始對(duì)chirps串序列進(jìn)行FFT(多普勒FFT)。

距離FFT(逐行)和多普勒FFT(逐列)的聯(lián)合操作可視作每幀對(duì)應(yīng)數(shù)字化采樣點(diǎn)的二維FFT。二維FFT可同時(shí)分辨出目標(biāo)的距離和速度。也就是說(shuō)，二維FFT的峰值位置對(duì)應(yīng)雷達(dá)前方目標(biāo)的距離和速度。

對(duì)目標(biāo)角度信息的解析需要多個(gè)RX天線。因此，處理器首先處理每個(gè)天線接收到的信號(hào)進(jìn)行二維FFT。隨后，對(duì)多個(gè)天線所得的二維FFT矩陣進(jìn)行聯(lián)合處理，最后得出目標(biāo)的到達(dá)角。

通過(guò)以上處理，雷達(dá)可以解析出目標(biāo)的距離、速度和角度等多維信息。雷達(dá)的性能指標(biāo)取決于發(fā)射信號(hào)的選擇。例如，隨著chirp信號(hào)帶寬的增加，距離分辨率隨之提高；速度分辨率隨著幀持續(xù)時(shí)間的增加而提高。

同樣地，最大可測(cè)速度與相鄰chirp信號(hào)之間的空間間隔成反比；TX/RX天線的數(shù)量對(duì)角度分辨率有著決定性的作用。FMCW雷達(dá)的有效噪聲帶寬與其調(diào)頻時(shí)間成反比，調(diào)頻時(shí)間越長(zhǎng)，有效噪聲帶寬越低，分辨率越高。

連續(xù)波調(diào)頻(FMCW)雷達(dá)已廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，包括從安全到舒適性能的各個(gè)方面，例如盲點(diǎn)檢測(cè)、換道輔助、自動(dòng)巡航控制和停車輔助等。無(wú)論天氣和周圍的光照條件如何，雷達(dá)都能夠可靠、準(zhǔn)確地探測(cè)和定位障礙物。

FMCW雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)

FMCW雷達(dá)收發(fā)同時(shí)，理論上不存在脈沖雷達(dá)所存在的測(cè)距盲區(qū)，并且發(fā)射信號(hào)的平均功率等于峰值功率，因此只需要小功率的器件，從而降低了被截獲和干擾的概率；其缺點(diǎn)是測(cè)距量程較短，距離多普勒耦合以及收發(fā)隔離難等缺點(diǎn)。

FMCW雷達(dá)測(cè)量目標(biāo)的距離和速度的性能與周圍環(huán)境的光照情況無(wú)關(guān)，并不需要額外的輔助光源提供照明。其較高的工作頻率意味著整體解決方案的尺寸更小。FMCW雷達(dá)具有容易實(shí)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，在民用/軍事領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用。

和脈沖雷達(dá)系統(tǒng)相比，調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的一大優(yōu)勢(shì)是發(fā)射功率低，尺寸小，成本低廉，雷達(dá)在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)均工作時(shí)可實(shí)現(xiàn)零盲區(qū)，且可直接測(cè)量多普勒頻移和靜態(tài)目標(biāo)概率，這點(diǎn)非常符合車載雷達(dá)和工業(yè)雷達(dá)的性能需求。

除通用指標(biāo)外，該類雷達(dá)核心性能指標(biāo)還包括分辨率、模糊度以及距離和徑向速度的精度。分辨率由信號(hào)帶寬和相干處理間隔決定，參數(shù)估計(jì)的精確程度由雷達(dá)回波信號(hào)的信噪比高低決定。

FMCW雷達(dá)的應(yīng)用場(chǎng)景

現(xiàn)代汽車隨著其發(fā)展包含了越來(lái)越復(fù)雜的電子設(shè)備，汽車制造商正將高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)配置在其新開發(fā)的型號(hào)上，通過(guò)增加汽車的安全性以獲得更高的安全率。

大多數(shù)交通事故的發(fā)生是由于駕駛?cè)藛T的錯(cuò)誤，ADAS通過(guò)提出各種各樣的問(wèn)題，包括碰撞避讓、胎壓過(guò)低，來(lái)警醒和輔助駕駛?cè)藛T，被證明可減小傷亡。

ADAS使用的雷達(dá)技術(shù)主要聚焦在頻率76-81GHz。這些雷達(dá)需要面對(duì)各種各樣的應(yīng)用、工作條件和目標(biāo)檢測(cè)的挑戰(zhàn)，以提供特定駕駛?cè)藛T輔助功能所需要的可靠覆蓋范圍(距離)和視場(chǎng)(角度)。

高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)

目前，制造商主要基于視覺傳感器技術(shù)和工作于24GHz與/或77GHz的雷達(dá)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)駕駛輔助。視覺系統(tǒng)檢測(cè)道路標(biāo)識(shí)，處理其他的可視化道路信息，但是容易受到降水特別是霧與雪導(dǎo)致的性能下降的影響，也容易受距離的影響。

遠(yuǎn)距離雷達(dá)(LRR)支持多種功能，能輕松處理30到200米的距離，近距離雷達(dá)(SRR)能檢測(cè)低于30米的距離。目前混合結(jié)構(gòu)中廣泛使用的用于SRR檢測(cè)的24GHz頻段，到2022年在新的汽車上要逐漸淘汰。同時(shí)，支持LRR的77GHz頻段(76-81GHz)預(yù)期將為未來(lái)的汽車同時(shí)提供近距離和遠(yuǎn)距離檢測(cè)。

77GHz頻段的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)包括：天線較小(只有目前24GHz的三分之一)、允許的發(fā)射功率較高，更重要的是可以得到較寬的帶寬，從而獲得較高的目標(biāo)分辨率。雷達(dá)調(diào)制技術(shù)、天線波束控制、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，促使人們?cè)谖磥?lái)ADAS汽車中快速選擇毫米波雷達(dá)。

對(duì)于自適應(yīng)巡航控制(ACC)，為了處理高速公路上的多目標(biāo)場(chǎng)景，目標(biāo)測(cè)距和速度測(cè)量要同時(shí)進(jìn)行，要求既有高分辨率又有準(zhǔn)確性。目前的ACC系統(tǒng)使用相對(duì)熟悉的波形，具有較長(zhǎng)測(cè)量時(shí)間(5-100ms)。與之相比，未來(lái)針對(duì)安全應(yīng)用的開發(fā)，如避免碰撞(CA)或自動(dòng)駕駛(AD)，要求具有更高的可靠性(極低的虛警率)和極快的反應(yīng)時(shí)間。

對(duì)汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的重要要求包括：ACC的最大探測(cè)范圍近似為200m，測(cè)距精度大約1m，速度分辨率2.5km/h。為滿足這些系統(tǒng)要求，已實(shí)現(xiàn)了各種波形調(diào)制技術(shù)和結(jié)構(gòu)，包括連續(xù)波(CW)發(fā)射信號(hào)或經(jīng)典的具有超窄脈寬的脈沖波形。

對(duì)于固定的高分辨率測(cè)距系統(tǒng)而言，與脈沖波形相比CW雷達(dá)系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量時(shí)間相對(duì)較低和計(jì)算復(fù)雜。文獻(xiàn)中常見的兩類CW波形包括線性頻率調(diào)制(LFMCW)和移頻鍵控(FSK)，移頻鍵控技術(shù)至少使用兩種不同的離散頻率。

對(duì)于ACC應(yīng)用，同時(shí)進(jìn)行測(cè)距和相對(duì)速度的測(cè)量極其重要。LFMCW和FSK可滿足這些要求。LFMCW需要多個(gè)測(cè)量周期和數(shù)學(xué)計(jì)算以解決模糊性，而FSK測(cè)距精度則差了點(diǎn)。結(jié)果，一種將LFMCW和FSK結(jié)合在一起稱為多頻移鍵控(MFSK)的單波形信號(hào)令人們極其感興趣。

FMCW雷達(dá)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)也可以滿足其他一些應(yīng)用的需求(即使是在汽車內(nèi)部)，這包括：鄰近感測(cè)；駕駛員生命體征監(jiān)控；手勢(shì)識(shí)別；占位檢測(cè)。

鄰近感測(cè)

鄰近感測(cè)傳感器擴(kuò)展了雷達(dá)探測(cè)障礙物的能力，比如開車門或后備箱時(shí)的防撞功能。這一應(yīng)用功能利用了雷達(dá)的高距離分辨率及其近距離探測(cè)障礙物的能力(障礙物包括電線桿、停車障礙物、墻壁、鄰近停放的車輛等)。如圖所示，鄰近感測(cè)也可用于泊車輔助。

下圖描述了一個(gè)典型鄰近感測(cè)功能的處理流程。處理器通過(guò)執(zhí)行2D FFT處理幀間的模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)數(shù)據(jù)，該過(guò)程可解析出目標(biāo)的距離和多普勒信息，并區(qū)分出附近的運(yùn)動(dòng)物體和靜止的障礙物。

基于雷達(dá)的移動(dòng)，多普勒分辨也有助于對(duì)靜止目標(biāo)物的辨識(shí)，因?yàn)橄鄬?duì)于雷達(dá)而言，它們的相對(duì)速度是不同的。通過(guò)不同天線間二維 FFT矩陣的非相干累積生成一個(gè)距離-多普勒?qǐng)D，然后由檢測(cè)算法進(jìn)行處理。

檢測(cè)算法可用一種基本的恒定虛警率-單元平均(CFAR-CA)檢測(cè)器。諸如CFAR有序統(tǒng)計(jì)(CFAR-OS)等更復(fù)雜的變形也有助于改善存在地雜波情況下的檢測(cè)。

駕駛員生命體征監(jiān)測(cè)

FMCW雷達(dá)技術(shù)的一項(xiàng)重要應(yīng)用是提高道路安全性，它可通過(guò)精確監(jiān)測(cè)駕駛員的心率和呼吸頻率來(lái)持續(xù)監(jiān)測(cè)駕駛員的生命體征。這種小尺寸傳感器簡(jiǎn)單易用，比如它可以嵌入到駕駛員座椅的靠背中。

FMCW雷達(dá)接收信號(hào)的相位對(duì)目標(biāo)位置的微小變化極為敏感(如前所提及的相位靈敏度，目標(biāo)每移動(dòng)1mm，經(jīng)過(guò)距離FFT處理數(shù)據(jù)的相位就會(huì)變化180度)。利用這一特性可估計(jì)出目標(biāo)的振動(dòng)頻率(比如由呼吸和心跳引起的振動(dòng))。

該器件發(fā)出一串chirps信號(hào)，隨之利用距離FFT中的峰值識(shí)別來(lái)自駕駛員胸部的強(qiáng)烈反射。通過(guò)算法跟蹤這個(gè)峰值的相位，并對(duì)該相位序列進(jìn)行頻譜分析，以提取駕駛員的心臟和呼吸頻率。

注意，由呼吸引起的胸部運(yùn)動(dòng)可達(dá)到12mm量級(jí)，這是雷達(dá)工作波長(zhǎng)(77GHz時(shí)約為4mm)的好幾倍。因此，為了更準(zhǔn)確地測(cè)量出結(jié)果，需要對(duì)相位進(jìn)行合適的解卷繞處理。

隨后，器件中的算法對(duì)相位序列進(jìn)行帶通濾波處理，提取出目標(biāo)頻譜(呼吸頻率為0.1-0.5Hz，心跳頻率為0.8-2Hz)。然后，對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行頻譜分析，測(cè)量出心率和呼吸率。

為了提高魯棒性，可選擇性地使用運(yùn)動(dòng)檢測(cè)模塊來(lái)檢測(cè)駕駛員的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，并對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)貏?dòng)態(tài)補(bǔ)償，或者放棄讀取。

手勢(shì)識(shí)別

使用FMCW雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)較高的距離和速度(或多普勒)分辨率，使其非常適合于基于手勢(shì)的非接觸式界面。應(yīng)用于汽車的案例包括基于手勢(shì)打開車門/后備箱和基于手勢(shì)控制信息娛樂系統(tǒng)(例如通過(guò)揮手切換屏幕，或者通過(guò)捻轉(zhuǎn)手指控制音量)。

特征處理方法有很多種。一種方法是將特定的時(shí)間窗內(nèi)提取的特征發(fā)送給機(jī)器學(xué)習(xí)算法，例如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、決策樹或支持向量機(jī)等，然后再進(jìn)行分類。另一種方法是利用手工編寫的邏輯來(lái)識(shí)別提取的特征中的各種手勢(shì)。混合解決方案也是一種可能的方法。

特征處理的輸出是檢測(cè)到手勢(shì)的類型。此外，特征處理還可以輸出與手勢(shì)有關(guān)的其他指標(biāo)(例如手勢(shì)速度)，利用這些指標(biāo)可改善用戶體驗(yàn)。

占位檢測(cè)

被鎖在車內(nèi)的兒童和動(dòng)物可能會(huì)很快死于高溫。安裝在駕駛室中的FMCW雷達(dá)可以在無(wú)人照看的車輛中檢測(cè)到它們的存在，從而能夠及時(shí)采取措施。該應(yīng)用主要取決于雷達(dá)是否具備精細(xì)的速度分辨率。雷達(dá)必須能夠?qū)⒓词棺钶p微運(yùn)動(dòng)(例如熟睡中的孩子)的目標(biāo)與車內(nèi)靜止的雜物區(qū)分開。

所有天線的距離FFT被傳遞到角譜估計(jì)模塊，該模塊對(duì)每個(gè)距離單元的角譜進(jìn)行估計(jì)。目標(biāo)的微小運(yùn)動(dòng)有助于距離FFT峰值相位(多個(gè)chirps信號(hào)序列計(jì)算所得)的去相關(guān)運(yùn)算，這反過(guò)來(lái)有助于提高角度分辨率。

如果距離FFT解析出了信號(hào)的距離，而角譜估計(jì)解析出了角度，后續(xù)處理可以基于檢測(cè)算法(例如CFAR)，或者更復(fù)雜的特征提取和分析技術(shù)檢測(cè)出該圖中的目標(biāo)。后處理的輸出可以是一個(gè)標(biāo)識(shí)，指示目標(biāo)對(duì)象的存在或不存在。另外，后處理模塊還可以輸出目標(biāo)的空間位置。

在航空航天和國(guó)防應(yīng)用中，雷達(dá)大多使用脈沖、脈沖壓縮信號(hào)，甚至頻率捷變來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)程偵察，而如提供高精度定位的工業(yè)雷達(dá)傳感器、飛機(jī)高度計(jì)和車載雷達(dá)傳感器等均使用連續(xù)波雷達(dá)信號(hào)。

車載雷達(dá)市場(chǎng)中，往往要求成本低，性能突出，可靠穩(wěn)定，在成本的限制下，雷達(dá)必須進(jìn)行高效的研發(fā)和生產(chǎn)，雷達(dá)傳感器的測(cè)試與測(cè)量必須實(shí)時(shí)可靠，產(chǎn)品必須物美價(jià)廉、前景明朗。

線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)信號(hào)應(yīng)用于多種雷達(dá)系統(tǒng)中。盡管調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)已推廣使用多年，但其在車載雷達(dá)領(lǐng)域的應(yīng)用最為廣泛。