自动驾驶环境感知之毫米波雷达信号解析_智能驾驶毫米波雷达数据流解析

1. 雷达的概念与分类

1.1 不同传感器的优缺点

• 视觉传感器：可以提供丰富的颜色和纹理信息，有助于识别场景中的各种目标类别，但缺乏三维信息。

• 激光雷达：可以通过精准测距来恢复场景中的三维信息，因此可以对视觉传感器有一个很好的补充。但它受极端天气的影响较大，且价格较高，故量产难度大。

• 毫米波雷达：可全天候工作，成本较低，因此可对视觉传感器和激光雷达有一个很好的补充。

1.2 雷达的相关概念

• 名字来历：RADAR（Radio Detecting And Ranging）的音译，意为无线电探测和测距
• 工作原理
  • 运用无线电定位方法，探测和识别各种目标，测定目标坐标和其他信息
  • 发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至发射点的距离、距离变化率、方位和高度等信息
• 不同类别
  • 按照用途分类：军用、气象、导航、车载
  • 按照波长分类：米、分米、厘米、毫米
  • 按照波形分类：脉冲波、连续波

1.3 不同类型雷达的特点

（1）按照波长和用途分类

• 长波雷达（米、分米）：空间分辨率低，穿透性强，一般用于广播，军事预紧，卫星通讯
• 短波雷达（厘米，毫米）：空间分辨率高，穿透性差，一般用于测绘，短程通讯，车载应用等。其中，激光雷达属于微米级的短波雷达，因此其空间分辨率更高，穿透性更差，通常是增加激光雷达的发射功率，以保证其具有一定的探测距离。一般而言，毫米波雷达的探测距离比激光雷达更长。

（2）按照波形分类

• 脉冲雷达
  • 通过脉冲发送和接收的时间差来确定目标的距离
  • 缺点是：只能确定目标的距离，不能确定目标的速度
• 连续波雷达
  • 发射信号在时间上是连续的
  • 发射信号的频率是随着时间而变化的（调频连续波）

1.4 FMCW毫米波雷达

（1）FMCW毫米波雷达基础知识

• FMCW = Frequency Modulated Continuous Wave, 调频连续波
• 工作频率为76—81GHz，对应波长约为4mm
• 系统组件的尺寸很小，但可以测量厘米级的移动
• 工作模式分为长距和短距两种，在长距工作模式下，探测距离可达250m左右，但视场角较窄；在短距工作模式下，探测距离为50m左右，但视场角较大
• 与视觉传感器和激光雷达相比
  • 可以全天候工作，成本较低
  • 对目标距离和速度的测量非常准确
  • 高度和横向的分辨率较低
  • 对静止物体感知能力较差

（2）毫米波雷达工作流程

• 信号解析：从原始的接收信号中解析距离（R），角度（A）和速度（D）信息，输出稠密的数据块R x A x D，比如大小为256 x 150 x 512
• 点云生成：采用动态阈值对数据块进行过滤生成稀疏的点云
• 目标检测：采用聚类算法和卡尔曼滤波检测并跟踪目标

2. FMCW雷达信号解析

2.1 FMCW雷达信号

（1）FMCW雷达的工作流程

• 合成器生成一个线性调频信号，通常频率是随时间线性增加的
• 发射天线（TX）发射线性调频信号
• 接收天线（RX）捕获目标对线性调频信号的反射
• 混频器将RX和TX信号合并到一起，生成一个中频（IF）信号
  
   上述4个步骤中，中间两步的发射与接收比较直观，需要注意的是调频信号的合成与中频信号的生成，下面进行具体了解。

（2）线性调频信号

• 对于一个周期内，信号的频率随时间变化线性增大，如下面左图所示。另外，存在如下变量：

  • 起始频率 $f_c$：信号最开始时的频率
  • 带宽$B$：在一个周期内，从信号开始到信号结束时频率的变化量
  • 持续时间$T_c$：表示频率变化的一个周期所对应的时间，一个频率变化周期通常称为一个Chirp
  • 频率变化率$S$：频率变化的斜率（一般是线性变化的），计算公式为：$S=\frac{B}{T_c}$
    

（3）混频器

• 作用：将TX和RX信号合并生成一个具有新频率的信号IF

TX发射信号：$x_1=sin(2\pi f_{1}t+{\varphi }_1)$

RX接收信号：$x_2=sin(2\pi f_{2}t+{\varphi }_2)$

混频器输出IF：$x_{o}ut=sin[2\pi (f_1-f_2)t+({\varphi }_1-{\varphi }_2)]=sin[2\pi \Delta ft+\Delta \varphi ]$

​ 如下图所示，发射信号TX为灰线，接收信号为绿线，二者的频率都是随时间线性增加的。由于接收信号是物体返回给雷达的，因此它相对于发射信号有一个时间上的延迟，记延迟时间为$\tau$。当雷达接收到信号时，发射信号的频率已经变化了，因此在此后发射信号与接收信号之间存在频率差$\Delta f$。

​ 对于单个静止目标而言，RX和TX之间的时间差$\tau$是固定的，因此，二者之间的频率差也是固定的。也就是说IF是一个频率恒定的单音信号，IF的频率为$\Delta f$，相位为$\Delta \varphi$，分别用来估计目标的距离和速度。

2.2 FMCW信号解析

（1）距离解析

计算过程

​ RX和TX之间的时间差为：$\tau =\frac{2r}{c}$，其中$r$为目标距离，$c$​表示光速
$$\tau =\frac{2r}{c}\Rightarrow r=\frac{\tau c}{2}=\frac{\Delta fc}{2S}$$
​ 其中，$\Delta f$表示IF信号的频率（RX和TX信号的频率差），$S$为频率变化率

示例

​ 假设发射信号的频率变化率$S$为$100MHz/\mu s$，混频器输出的IF信号频率$\Delta f$为20MHz，那么目标距离的计算如下：
$$r=\frac{\Delta fc}{2S}=\frac{200MHz\times 3\times 10^{8}m/s}{2\times 100MHz/\mu s}=30m$$
最大探测距离

​ 根据公式$r=2$