自动驾驶感知——毫米波雷达_毫米波雷达输出什么数据

1. 雷达的基本概念

    无线电探测及测距（Radio Detection and Ranging）， 发射电磁波并接收目标反射的回波信号，通过对比发射信号与回收信号，获取目标的位置、速度等信息。

1.1 毫米波雷达分类

    雷达的分类
• 所发射电磁波的频段，决定了雷达的基本性能特点
• 超视距雷达、微波雷达、毫米波雷达、激光雷达、…

• 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，连续波

按照波长和用途分类

• 长波雷达(米，分米)，分辨率低，穿透性强
  ➢一般用于广播，军事预警，卫星通讯等:
• 短波雷达(厘米，毫米)，分辨率高，穿透性差
  ➢一般用于测绘，短程通讯，车载应用等

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
  ➢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变化的(调频连续波)

1.2 信息的传输

◼ 调制：将调制信号（待传输信息）混合到载波信号（起到载运作
用的信号）的过程，可分为调频，调幅，调相。
◼ 解调：相反的过程，即从混合信号中恢复出待传输信息。
◼ 带宽：调制信号频谱的宽度，带宽高有利于传输更多数据。

• 毫米波雷达使用的电磁波波长介于1-10mm，波长短、频段宽，比较 容易实现窄波束，雷达分辨率高，不易受干扰
• 早期被应用于军事领域，随着雷达技术的发展与进步，毫米波雷达传 感器开始应用于汽车电子、无人机、智能交通等多个领域。

1.3 毫米波雷达的信号频段

1.4 毫米波雷达工作原理

    在车载毫米波雷达中，目前主要有三种调制方案：调频连续波（Frequency
Modulated Continuous Wave, FMCW），频移键控（Frequency Shift Keying, FSK）以及相移键控（Phase Shift Keying, PSK）。
    主流车载毫米波雷达所采用的的调制信号为调频连续波FMCW。

    其基本原理是在发射端发射一个频率随时间变化的信号，经目标反射后被接收机接收，通过反射信号和接收信号之间的混频，得出两个信号的频率差，随后通过电磁波传播公式和多普勒效应公式求出目标距离和速度.

⚫ 测距测速是通过分析发射和接收的调频连续之间的区别来实现
⚫ 测量角度是通过计算不同天线单元之间的延时差来计算

1.4.1 毫米波雷达测速测距的数学原理

    这里首先分析 $0<t<T/2$ 时收发信号的关系。在调频连续波雷达中，本振信号的频率在半个周期内是随时间成线性关系变化的，即$$f_{LO}(t)=f_0+kt(0<t<\frac{T}{2})$$    其中 $f_0$ 是初始时刻的频率，$k$ 是频率随时间变化的斜率。因为频率是相位关于时间 $t$ 的导数，因此相位可以表示为频率关于时间 $t$ 的积分，即$$\varphi (t)=2\pi \int f(t)dt=\pi k{t}^2+2\pi f_{0}t+{\varphi }_0$$    其中 ${\varphi }_0$ 是初始相位，因此本振信号关于时间的表达式可以写成$$V_{LO}(t)=V_1\cos (\pi k{t}^2+2\pi f_{0}t+{\varphi }_0)$$    其中 $V_1$ 是本振信号的幅度，由于该本振信号的频率是随时间呈连续周期性变化的，所以称之为调频连续波，本振信号经过功率放大器（Power Amplifier, PA）放大后，由天线发射到自由空间中，这里把 PA 和天线的总增益记为 $G_1$，则发射信号为$$V_{TX}(t)=G_1{V}_1\cos (\pi k{t}^2+2\pi f_{0}t+{\varphi }_0)$$    该信号经过空气传播到目标表面，被目标反射，最后由接收机接收，信号往返的传播时间为 $\tau$，若雷达和目标的距离为$r(t)$，则$$\tau =\frac{2r(t)}{c}=\frac{2(r_0+vt)}{c}$$    其中 $c$ 为电磁波在空气中的传播速度，$r_0$ 是初始距离，$v$ 为雷达和目标间的相对速度。
    电磁波在空气中传播和被目标反射的过程也会带来一定损耗，损耗系数记作 ${\alpha }_1$，则接收信号可以表示为$$V_{RX}(t)={\alpha }_1{G}_1{V}_1\cos (\pi k(t-\tau {)}^2+2\pi f_0(t-\tau )+{\varphi }_0)$$    这里再介绍以下混频的概念：
混频：输出信号频率等于两输入信号频率之和、差或其他组合的电路。
常用方法：$\cos \alpha \cdot \cos \beta =[\cos (\alpha +\beta )+\cos (\alpha -\beta )]/2$

    接收信号经过低噪声放大器（Low Noise Amplifier, LNA）放大后，与本振信号进行混频。混频后的信号包含了高频分量和低频分量，将该信号通过一个低通滤波器可得（假设通带内的增益为单位增益）：$$V_{IF}(t)={\alpha }_1{G}_1{G}_2{V_1}^2\cos (2\pi k\tau t+2\pi f_0\tau -\pi k{\tau }^2)$$    求导，即可求出中频频率（混频后的信号经低通滤波后所得低频分量，又叫中频频率 f