毫米波FMCW雷达测距、测速原理、应用

MEMS/传感技术

 毫米波 (millimeter wave )波长为1～10毫米的电磁波称毫米波,它位于微波与远红外波相交叠的波长范围,因而兼有两种波谱的特点。

 它具有以下主要特点:

 •极宽的带宽:通常认为毫米波频率范围为26.5～300GHz,带宽高达273.5GHz。超过从直流到微波全部带宽的10倍。即使考虑大气吸收,在大气中传播时只能使用四个主要窗口,但这四个窗口的总带宽也可达135GHz,为微波以下各波段带宽之和的5 倍。这在频率资源紧张的今天无疑极具吸引力。

 •波束窄:在相同天线尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多。例如一个 12cm的天线,在9.4GHz时波束宽度为18度,而94GHz时波速宽度仅1.8度。因此可以分辨相距更近的小目标或者更为清晰地观察目标的细节。

 •与激光相比:毫米波的传播受气候的影响要小得多,可以认为具有全天候特性。

 •和微波相比:毫米波元器件的尺寸要小得多。因此毫米波系统更容易小型化。

 为此,它们在通信、雷达、制导、遥感技术、射电天文学和波谱学方面都有重大的意义。利用大气窗口的毫米波频率可实现大容量的卫星-地面通信或地面中继通信。利用毫米波天线的窄波束和低旁瓣性能可实现低仰角精密跟踪雷达和成像雷达。在远程导弹或航天器重返大气层时,需采用能顺利穿透等离子体的毫米波实现通信和制导。高分辨率的毫米波辐射计适用于气象参数的遥感。用毫米波和亚毫米波的射电天文望远镜探测宇宙空间的辐射波谱可以推断星际物质的成分。

 毫米波雷达(Millimeter Wave Radar)的应用

 表面上看来毫米波系统和微波系统的应用范围大致是一样的。但实际上两者的性能有很大的差异,优缺点正好相反。因此毫米波系统经常和微波系统一起组成性能互补的系统。下面分述各种应用的进展情况。毫米波雷达的优点是角分辨率高、频带宽因而有利于采用脉冲压缩技术、多普勒颇移大和系统的体积小。缺点是由于大气吸收较大,当需要大作用距离时所需的发射功率及天线增益都比微波系统高。下面是一些典型的应用实例。

 空间目标识别雷达:它们的特点是使用大型天线以得到成像所需的角分辨率和足够高的天线增益,使用大功率发射机以保证作用距离。例如一部工作于35GHz的空间目标识别雷达其天线直径达36m。用行波管提供10kw的发射功率,可以拍摄远在16,000km处的卫星的照片。一部工作于94GHz的空间目标识别雷达的天线直径为13.5m。当用回波管提供20kw的发射功率时,可以对14400km远处的目标进行高分辨率摄像。

 汽车防撞雷达: 因其作用距离不需要很远,故发射机的输出功率不需要很高,但要求有很高的距离分辨率(达到米级),同时要能测速,且雷达的体积要尽可能小。所以采用以固态振荡器作为发射机的毫米波脉冲多普勒雷达。采用脉冲压缩技术将脉宽压缩到纳秒级,大大提高了距离分辨率。利用毫米波多普勒颇移大的特点得到精确的速度值。

 直升飞机防控雷达: 现代直升飞机的空难事故中,飞机与高压架空电缆相撞造成的事故占了相当高的比率。因此直升飞机防控雷达必须能发现线径较细的高压架空电缆,需要采用分辨率较高的短波长雷达,实际多用3mm雷达。

 精密跟踪雷达: 实际的精密跟踪雷达多是双频系统,即一部雷达可同时工作于微波频段(作用距离远而跟踪精度较差)和毫米波频段(跟踪精度高而作用距离较短),两者互补取得较好的效果。例如美国海军研制的双频精密跟踪雷达即有一部9GHz、300kw的发射机和一部35GHz、13kw的发射机及相应的接收系统,共用2.4m抛物面天线,已成功地跟踪了距水面30m高的目标,作用距离可达27km。双额还带来了一个附加的好处:毫米波频率可作为隐蔽频率使用,提高雷达的抗干扰能力。

 汽车主动防碰撞的工作原理

 汽车防碰撞系统对提高汽车行驶安全性十分重要,该系统的研究一直倍受重视。从1971年开始,相继出现过超声波、激光、红外、微波等多种方式的主动汽车防碰撞系统,但是以上系统均存在一些不足,未能在汽车上大量推广应用。随着各国高速公路网的快速发展,恶性交通事故不断增加,为减少事故,先后采用行驶安全带、安全气囊等保护措施,但这些技术均为被动防护,不能从根本上解决问题。毫米波RF带宽大,分辨率高,天线部件尺寸小,能适应恶劣环境,所以毫米波雷达系统具有重量轻、体积小和全天候等特点,“主动汽车毫米波防碰撞雷达系统”成为近年来国际上研究与开发的热点,并已有产品开始投入市场,前景十分看好。

 主动汽车防碰撞是以雷达测距、测速为基础的。防撞雷达系统实时监测车辆的前方,当有危险目标(如行驶前方停止或慢行的车辆)出现,雷达系统提前向司机发出报警,使司机及时作出反应,同时雷达输出信号到达汽车控制系统,根据情况进行自动刹车或减速。

 毫米波防撞雷达系统有调频连续波(FMCW)雷达和脉冲雷达两种。对于脉冲雷达系统,当目标距离很近时,发射脉冲和接收脉冲之间的时间差非常小,这就要求系统采用高速信号处理技术,近距离脉冲雷达系统就变的十分复杂,成本也大幅上升。因而汽车毫米波雷达防撞系统常采用结构简单、成本较低、适合做近距离探测的调频连续波雷达体制。

 射频收发前端是雷达系统的核心部件。国内外已经对前端进行了大量深入研究,并取得了长足的进展。已经研制出各种结构的前端,主要包括波导结构前端,微带结构前端以及前端的单片集成。国内研制的射频前端主要是波导结构前端。一个典型的射频前端主要包括线性VCO、环行器和平衡混频器三部分。前端混频输出的中频信号经过中频放大送至后级数据处理部分。数据处理部分的基本目标是消除不必要信号(如杂波)和干扰信号,并对经过中频放大的混频信号进行处理,从信号频谱中提取目标距离和速度等信息。

 毫米波FMCW雷达测距、测速原理

 雷达系统通过天线向外发射一列连续调频毫米波,并接收目标的反射信号。发射波的频率随时间按调制电压的规律变化。一般调制信号为三角波信号。反射波与发射波的形状相同,只是在时间上有一个延迟,发射信号与反射信号在某一时刻的频率差即为混频输出的中频信号频率,且目标距离与前端输出的中频频率成正比。如果反射信号来自一个相对运动的目标,则反射信号中包括一个由目标的相对运动所引起的多谱勒频移。根据多谱勒原理就可以计算出目标距离和目标相对运动速度。

 已开发的车用主动防碰撞毫米波雷达

 博世最近发表了采用SiGe技术的毫米波雷达LRR(Long Range Rader)3。此次开发的毫米波雷达由77GHz频带的MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuits)芯片组、4根贴片天线以及专用ASIC构成。芯片组由发送和接收用的两个芯片组成,两芯片均使用了SiGe技术。毫米波雷达的可检测距离为0.5m～250m。检测角度范围在30m远处为30度。

 博世表示通过采用SiGe技术,可以比以往采用的MMIC技术降低成本。将来有望在车辆上配备两个毫米波雷达,并可追加功能。该公司在车辆前方配备了两个毫米波雷达,并公布了车辆试验结果——检测角度范围在30m远处扩大到了60度。

 与只配备一个毫米波雷达相比,配备两个毫米波雷达提高了急转弯时的检测精度,可以更加准确地捕捉到前方车辆及路边的护栏等。实车试验中,在曲率半径为35m的道路上也可准确地识别前方车辆。该公司表示,该装备能够提高低速追踪的ACC(Adaptive Cruise Control System)的准确度等。另外,将来还可以增加各种功能,比如通过检测路旁的护栏等来识别弯道的形状,与车辆的横摆力矩配合以防止侧滑等。

 日立制作所最近开发出两种体积更小的车载毫米波雷达,使用76GHz频带,检测距离最长达200m。

 用于进行长距离检测的(检测范围1m-127m)毫米波雷达,尺寸为横100mm×纵80mm×厚30mm。与原来的机型相比,模块的厚度和体积大约分别减至以来的1/3和1/4。另外,用于进行短距离检测的毫米波雷达(检测范围0.1m—25m)主要通过改进天线,将检测角度从长距离检测雷达的±15度扩大到了±35度。

 毫米波雷达主要由天线、高频电路及信号处理部分组成。日立制作所为了减小毫米波雷达的厚度,改进了高频电路及信号处理部分,通过将MMIC芯片封装在多层印刷线路板上,减小了体积,与原来使用单层印刷线路板的雷达相比,大幅提高了高频部件的封装密度。在提高微处理器性能的同时,通过增加混载内存的存储容量,将全部处理均集中在了1个微处理器上。由于减少了微处理器,所以信号处理部分生产的内部热量也随之减少,从而提高了部件的封装密度,这也为信号处理部分的小型化做出了贡献。

 电装宣布开发出了体积比原款减小一半、成本大幅削减的毫米波雷达。使用高性能信号处理技术,通过减少天线的接收信道数,实现了天线和收发元件的小型化。通过连接天线和收发元件,将传送电波的导波管和收发天线融为一体,实现了产品的小型化和低成本化。