1.1 什么是雷達？

雷達（Radio Detection and Ranging 的首字母縮寫詞）使用無線電波來檢測環(huán)境中的物體。它允許確定距離（稱為范圍）、角位置（方位）和速度。雷達技術(shù)是在二戰(zhàn)期間為軍事用途而開發(fā)的，但現(xiàn)在有許多民用應(yīng)用，包括空中或海上交通管制、天文學(xué)、海洋和氣象監(jiān)測、測高、地質(zhì)觀測和汽車應(yīng)用。

雷達系統(tǒng)包括一個發(fā)射器，它向某個方向發(fā)射電磁射頻波（雷達信號）。然后由雷達接收器檢測從目標物體反射的信號（回波）。反射的幅度由物體的材料屬性、大小和形狀（雷達橫截面 RCS）決定。通過處理這個反射信號，可以確定目標的特性。

1.2 FMCW雷達

汽車雷達系統(tǒng)使用所謂的調(diào)頻連續(xù)波 （FMCW） 運行。該系統(tǒng)以特定頻率發(fā)射連續(xù)波，然后在一段時間 T 內(nèi)對其進行調(diào)制。這為發(fā)射的信號提供了“時間戳”。信號隨后傳播到目標，其中一部分被反射回來。雷達將檢測反射信號并將其與原始信號進行比較，將它們混合并處理結(jié)果信號。簡化示意圖如圖 1 所示。

圖 1：FMCW 汽車雷達——原理和構(gòu)建模塊

圖 2 和圖 3 顯示了這種雷達信號的一個示例。返回的信號在形狀上與發(fā)送的信號相似，但隨著從雷達到目標的雙向行程花費時間 Δt，時間上發(fā)生了偏移與到目標 R 的距離成正比：

圖像

其中 c 為光速。

圖 2：鋸齒波 FMCW 雷達信號：頻率與時間。

圖 3：FMCW 雷達信號：幅度與時間。

通過在任何給定時刻將反射波與原始信號進行比較，可以觀察到頻移 Δf。這種偏移允許確定信號或“啁啾”的每個周期的范圍 R。如果在幾個啁啾上監(jiān)測信號，由于多普勒效應(yīng)，將檢測到一個額外的頻移 fD 用于移動接近或遠離雷達的目標。這允許確定目標的速度。最后，如果考慮不同的信道，使用空間分布的天線，可以建立信號的到達方向，從而獲得目標的2D或3D位置。

這意味著，要進行 4D 檢測（距離、方位角和仰角方向以及速度），需要對信號進行時空處理。為此，需要將信號數(shù)字化并保存以供進一步處理。第一步將是創(chuàng)建所謂的“雷達立方體”。

1.3 雷達處理——雷達立方體

雷達數(shù)據(jù)立方體是對存儲的雷達數(shù)據(jù)進行時空處理的三維圖形描述。它總結(jié)了獲取距離、速度和方位信息所需的三個基本步驟。

如上所述，接收到的信號被采樣處理。第一步是執(zhí)行 FFT（快速傅里葉變換），使每個樣本對應(yīng)一個“bin”，以獲得所謂的“快速時間”上的范圍信息。這在圖 4 中進行了說明。對形成幀的每個啁啾重復(fù)該過程。

圖 4：雷達處理：距離 FFT。

一旦幀中的所有芯片都被采集、保存和處理，就會執(zhí)行多普勒-FFT 以獲得有關(guān)目標速度的信息。該評估每幀進行一次，即每N個啁啾。因此，它也被稱為“慢時間”。最后，結(jié)合所有可用通道的空間數(shù)據(jù)，得到雷達立方體的第三維，其中包含目標空間位置的信息。雷達立方體的圖形表示如圖 5 所示。

圖 5：雷達立方體。

1.4 汽車雷達模塊

半導(dǎo)體技術(shù)的進步促進了汽車雷達的部署，尤其是基于硅的技術(shù)。雖然在 2010 年代初期，多通道雷達收發(fā)器集成在單個 GaAs（砷化鎵）MMIC（單片微波集成電路）上，但如今硅鍺 （SiGe） 的使用提高了集成密度并降低了大規(guī)模生產(chǎn)的成本。下一個挑戰(zhàn)將是向 CMOS（互補金屬氧化物半導(dǎo)體）的過渡，這將允許在芯片上集成更多數(shù)字電路，同時保持良好的射頻性能。

然而，要實現(xiàn)雷達系統(tǒng)，每個雷達模塊必須包括一個或多個 MMIC 收發(fā)器，這些收發(fā)器發(fā)射雷達信號，檢測障礙物的回波，并執(zhí)行一些信號調(diào)理和數(shù)字化，以準備原始雷達數(shù)據(jù)，以供處理程序進一步分析單元。后者可以是用于基本處理的微控制器單元 （MCU），但隨著雷達技術(shù)的進步，SoC（片上系統(tǒng)）越來越多地用于實現(xiàn)更復(fù)雜的目標分析、檢測和跟蹤。

圖 6 說明了在整個接收路徑上處理雷達信號的不同步驟。雖然模擬射頻處理和數(shù)字信號轉(zhuǎn)換總是在 MMIC 上執(zhí)行，但信號分析的接口不是固定的。隨著雷達架構(gòu)和信號處理越來越復(fù)雜，一些步驟（例如第一個 FFT）已經(jīng)可以在 MMIC 上執(zhí)行。此外，還可以將雷達收發(fā)器和處理單元組合在一個單片芯片中，用于角雷達等某些應(yīng)用。

圖 6：雷達處理步驟。

未來，可以實現(xiàn)更復(fù)雜的架構(gòu)，在汽車周圍分布多個衛(wèi)星雷達。然后，雷達模塊將在將數(shù)據(jù)（例如距離和點云）傳送到中央控制單元（ECU）之前僅執(zhí)行有限數(shù)量的預(yù)處理，然后中央控制單元（ECU）可以應(yīng)用更先進的處理和數(shù)據(jù)融合，而不僅僅是衛(wèi)星雷達模塊以及其他傳感器。

1.5 結(jié)論

本條目概述了用于汽車應(yīng)用的 FMCW 雷達的工作原理，及其使用 MMIC 和 MCU/SoC 的實現(xiàn)。

審核編輯：郭婷