1.1 什么是雷達(dá)？

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

1.2 FMCW雷達(dá)

汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)使用所謂的調(diào)頻連續(xù)波 （FMCW） 運(yùn)行。該系統(tǒng)以特定頻率發(fā)射連續(xù)波，然后在一段時(shí)間 T 內(nèi)對(duì)其進(jìn)行調(diào)制。這為發(fā)射的信號(hào)提供了“時(shí)間戳”。信號(hào)隨后傳播到目標(biāo)，其中一部分被反射回來。雷達(dá)將檢測反射信號(hào)并將其與原始信號(hào)進(jìn)行比較，將它們混合并處理結(jié)果信號(hào)。簡化示意圖如圖 1 所示。

圖 1：FMCW 汽車?yán)走_(dá)——原理和構(gòu)建模塊

圖 2 和圖 3 顯示了這種雷達(dá)信號(hào)的一個(gè)示例。返回的信號(hào)在形狀上與發(fā)送的信號(hào)相似，但隨著從雷達(dá)到目標(biāo)的雙向行程花費(fèi)時(shí)間 Δt，時(shí)間上發(fā)生了偏移與到目標(biāo) R 的距離成正比：

圖像

其中 c 為光速。

圖 2：鋸齒波 FMCW 雷達(dá)信號(hào)：頻率與時(shí)間。

圖 3：FMCW 雷達(dá)信號(hào)：幅度與時(shí)間。

通過在任何給定時(shí)刻將反射波與原始信號(hào)進(jìn)行比較，可以觀察到頻移 Δf。這種偏移允許確定信號(hào)或“啁啾”的每個(gè)周期的范圍 R。如果在幾個(gè)啁啾上監(jiān)測信號(hào)，由于多普勒效應(yīng)，將檢測到一個(gè)額外的頻移 fD 用于移動(dòng)接近或遠(yuǎn)離雷達(dá)的目標(biāo)。這允許確定目標(biāo)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(hào)的到達(dá)方向，從而獲得目標(biāo)的2D或3D位置。

這意味著，要進(jìn)行 4D 檢測（距離、方位角和仰角方向以及速度），需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)空處理。為此，需要將信號(hào)數(shù)字化并保存以供進(jìn)一步處理。第一步將是創(chuàng)建所謂的“雷達(dá)立方體”。

1.3 雷達(dá)處理——雷達(dá)立方體

雷達(dá)數(shù)據(jù)立方體是對(duì)存儲(chǔ)的雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)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(gè)基本步驟。

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

圖 4：雷達(dá)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(huì)執(zhí)行多普勒-FFT 以獲得有關(guān)目標(biāo)速度的信息。該評(píng)估每幀進(jìn)行一次，即每N個(gè)啁啾。因此，它也被稱為“慢時(shí)間”。最后，結(jié)合所有可用通道的空間數(shù)據(jù)，得到雷達(dá)立方體的第三維，其中包含目標(biāo)空間位置的信息。雷達(dá)立方體的圖形表示如圖 5 所示。

圖 5：雷達(dá)立方體。

1.4 汽車?yán)走_(dá)模塊

半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了汽車?yán)走_(dá)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(dá)收發(fā)器集成在單個(gè) 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(gè)挑戰(zhàn)將是向 CMOS（互補(bǔ)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(shí)保持良好的射頻性能。

然而，要實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)，每個(gè)雷達(dá)模塊必須包括一個(gè)或多個(gè) MMIC 收發(fā)器，這些收發(fā)器發(fā)射雷達(dá)信號(hào)，檢測障礙物的回波，并執(zhí)行一些信號(hào)調(diào)理和數(shù)字化，以準(zhǔn)備原始雷達(dá)數(shù)據(jù)，以供處理程序進(jìn)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(dá)技術(shù)的進(jìn)步，SoC（片上系統(tǒng)）越來越多地用于實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的目標(biāo)分析、檢測和跟蹤。

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

圖 6：雷達(dá)處理步驟。

未來，可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的架構(gòu)，在汽車周圍分布多個(gè)衛(wèi)星雷達(dá)。然后，雷達(dá)模塊將在將數(shù)據(jù)（例如距離和點(diǎn)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(jìn)的處理和數(shù)據(jù)融合，而不僅僅是衛(wèi)星雷達(dá)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(dá)的工作原理，及其使用 MMIC 和 MCU/SoC 的實(shí)現(xiàn)。

審核編輯：郭婷