毫米波雷达：感知世界的“无形之手”

一、毫米波雷达

简介

（一）定义

        雷达是英文Radar 的音译，源于 Radio Detection and Ranging 的缩写，原意是“无线电探测和测距”，即用无线电方法发现目标并测定它们在空间的位置。毫米波雷达是指一种工作在毫米波频段（millimeter wave）的雷达传感器。

        国际电信联盟（ITU）发布的《无线电规则》（2020 年）和我国《无线电频率划分规定》中，将无线电频率在 30-300GHz 的频段（波长 1-10mm）称呼为毫米波频段。

（二）基本特性

        作为雷达系列中的高频段产品，毫米波雷达具有频带宽、波长短、大气传播损耗较大等基本特性，各特性对应的优缺点概括如下图所示。

        从上表可以看出，毫米波雷达具有显著的实用优势，但需要说明的是，我们并不是否定其他传感器的作用，毫米波雷达的大气传播损耗较大，适用于近距离场景，而在远程和超远程应用中，微波雷达仍然是探测目标的主力军。微波、毫米波、红外、激光等系统的作用应该是互补的、缺一不可的。

二、基本原理

        毫米波雷达三个基础的系统功能为距离测量、速度测量和角度测量。以 FMCW 雷达系统为例，其基本功能实现原理为：对目标发射电磁波-> 接收反射回波信号 -> 测量回波的时间、相位等信号 -> 解算目标的距离、速度、角度信息。

（一）测距原理

        FMCW 毫米波雷达的测距主要是利用发射信号和回波信号之间的时延 td，结合毫米波传播速度 c、以及目标和雷达的相对速度 v 推算出毫米波雷达和检测目标的相对距离 R 。

        毫米波雷达具有较高的距离分辨率和测距精度，且可以通过后端算法实现毫米级的精确测距。

        毫米波雷达测距能力与发射功率、天线增益、天线波束角和物体反射截面积等因数有关。通常发射功率越大，天线增益越高、天线波束角越窄以及物体反射截面积越大，雷达能够检测到的有效回波就越强，测量距离就越远。

（二）测速原理

        FMCW 毫米波雷达通常是利用多普勒效应来确定目标的径向速度。当目标向雷达天线靠近时，反射信号频率将高于发射机频率；反之，当目标远离天线而去时，反射信号频率将低于发射机频率。

        毫米波雷达测速范围和目标运动方向有关，目标靠近雷达做径向运动，目标速度为负；目标远离雷达做径向运动，目标速度为正。测速精度数据取决于信噪比（衡量雷达接收信号质量的单位）。信噪比高不高，是衡量毫米波雷达的目标检测性能是否强大的根本参数。

        测速时，FMCW雷达会发射两个线性调频脉冲，两次反射的回波形成的中频信号经过FFT后，在频谱上的频率相同，但相位谱上的相位却不同。其相位差

可得目标速度为：

（三）测角原理

        关于毫米波雷达目标方位角的测量，是通过并列的接收天线收到同一目标反射的雷达波相位差计算得到目标的方位角。原理如下图所示：其中方位角可以通过两个接收天线RX1 和 RX2 之间的几何距离 d 以及两天线收到雷达回波的相位差 b 通过简单的三角函数计算得到。

        在角度测量中，毫米波雷达可以通过MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出）天线阵列增加系统虚拟孔径，进而获得更高的分辨率。

三、毫米波雷达应用

（一）应用范围

        毫米波雷达应用范围涵盖车规级、工业级、消费级和医疗级四类。主要应用场景如图所示。

        汽车级应用是毫米波雷达最早的商用场景，同时也是当前毫米波雷达最大的应用市场；工业级应用主要包括智能交通、安防监控、智能装备、智能楼宇、工业测量等领域，应用场景最为广泛，同时具备附加值高的特点；消费级应用主要包括智能家居、智慧康养、消费电子等，是近两年兴起速度较快、关注度较高的新兴应用领域，未来具有较大的发展潜力。

（二）使用频率

        毫米波雷达有24GHz、60GHz、77GHz、80GHz、120GHz 等频段产品。目前，国内常用的毫米波雷达频段为24GHz、60GHz 和 77GHz 这三个频段。24G 毫米波雷达在各方面性能比较成熟，且成本较低，适用的领域会更广，例如交通、安防、智能家居、康养医疗等等；77GHz 毫米波雷达在精度上相比 24GHz 更高，主要应用于汽车领域，且应用规模已超过 24GHz。

参考资料：

1. https://zhuanlan.zhihu.com/p/621407954

2. https://blog.csdn.net/CV_Autobot/article/details/128979579?ops_request_misc=%257B%2522request%255Fid%2522%253A%25225ee4f84110180920e0552b1037088a16%2522%252C%2522scm%2522%253A%252220140713.130102334..%2522%257D&request_id=5ee4f84110180920e0552b1037088a16&biz_id=0&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2~all~top_positive~default-1-128979579-null-null.142^v102^pc_search_result_base3&utm_term=%E6%AF%AB%E7%B1%B3%E6%B3%A2%E9%9B%B7%E8%BE%BE&spm=1018.2226.3001.4187