雷达收发器在ADAS和自动驾驶中的重要地位

在这篇专门讨论汽车雷达的博客的最后一篇文章中，我们分析了影响探测范围的 MMIC 雷达收发器的参数。在这里，我们将解释如何提高检测精度，重点关注视场以及范围和角度分辨率。确实，仅仅“看”得越远越好。能够区分距离或角度（方位）接近的两个目标也很重要。

图像

1.1 距离分辨率

雷达的距离分辨率定义为区分放置在相同角方向（方位）但距雷达不同距离的不同目标的能力。两个目标反射的信号在时域中发生偏移。

图 1 发射和接收的雷达信号（2 个目标）。

在执行 FFT（快速傅立叶变换）之后，获得了对应于每个目标的两个单独的基带频率（频移）。

图 2 两个检测到的目标的频移（基带频率）。

两个目标越接近，基带频率Δ f 1和Δ f 2之间的差异越小。在某个时刻，雷达系统将无法再将它们分开。该最小频移/距离对应于一个 FFT bin。在观察时间T c内可以解析的最小频率差 Δ f为：

（1）

Δ f可以通过增加观察时间来改善（即最小化）。

目标之间的距离 Δ R与 Δ f直接相关：

（2）

其中 c 为光速。

其中S是发射雷达信号的斜率（以 Hz/s 为单位的啁啾率）。由于带宽是信号斜率及其持续时间的乘积，因此距离分辨率 d res可以写成信号带宽的函数：

（3）

因此，雷达芯片的带宽将对可实现的距离分辨率产生直接影响：

表 1 距离分辨率与雷达信号带宽。

对于需要高分辨率的应用，例如成像雷达，将需要大带宽。然而，远程雷达等其他应用不需要厘米数量级的精度，因此较小的带宽就足够了。考虑这一点很重要，因为最大雷达范围与带宽成反比：

（4）

对于给定的采样率F s，增加带宽将减小检测范围。

1.2 视野

以明确的方式确定目标（方位）的方向也很重要。这只能在雷达的视场 （FOV） 内实现，它定义了雷达在方位角（水平面）和仰角（垂直面）的角度覆盖范围。

图像图像汽车雷达使用多个接收天线来确定反射信号的到达角 （AoA），从而确定障碍物的角位置。因此，天线阵列的几何形状将成为视场的限制因素。

如果考虑单个发射天线，FOV 将由接收天线的几何形状和辐射特性决定。让我们考虑两个接收天线相隔距离 d 的情况。

图 5 用于确定 AoA 的接收天线。

可以通过比较每个天线接收到的信号的相移来计算信号的到达角。接收信号的相移取决于频率（波长）和天线之间的距离，如图 6 所示：

（5）

到达角的明确测量的角度范围是相位差从 -180° 到 +180° 单调变化的范围，因此从纯几何的角度来看，理论 FOV 由下式给出：

（6）

当可以检测到从 -90° 到 +90° 的所有到达角时，可实现最大视野。这是当天线之间的距离等于工作频率波长的一半时的情况，即：

图 6 两个接收天线的相位差，d = λ/2。

对于 77GHz 的汽车雷达，理论 FOV 可以通过使用大约 2mm 的天线之间的间隔来最大化。这是假设使用的天线是各向同性的辐射器。在现实生活中，视场将进一步受到天线辐射模式的限制。

现在让我们考虑一下，接收天线是两个均匀的线性贴片阵列，如图 8 所示。

图 7 线性贴片阵列作为接收天线，用于确定方位角和仰角的 AoA。

在这种情况下，方位角上的天线方向图很宽（相当于贴片天线），因此它对FOV的影响是有限的。主要的限制效应是行之间的间距 dx，FOV 可以使用 eq. （6）。

对于仰角 FOV，垂直行中的所有贴片都被视为单个天线。为了计算理论 FOV，我们需要考虑行的相位中心（即行的总辐射起源的假想点）。仰角的理论 FOV 将受到每个垂直行 （dy） 的相位中心之间的垂直间距的限制。如果这种分离是半个波长，我们原则上可以获得最大 FOV。然而，在这种情况下，天线的半功率波束宽度 （HPBW） 要小得多（~20-25°），因此无法在天线波束之外进行检测。在这种情况下，辐射方向图将成为 FOV 的限制因素。

1.3 角度分辨率

与距离分辨率的情况一样，能够区分以不同角度（方位）放置但距离相同的两个单独目标也很重要。这里，由于信号延迟引起的频移不能用于识别来自每个目标的信号。同样，需要特殊的分集，在不同的位置有多个天线。

角分辨率θ res表示雷达可以分辨的最小角间距。对于单个发射天线，它可以计算为：

（7）

N是接收天线的数量，θ是到达角。对于接近视轴方向 （ θ = 0°） 的轴承，角分辨率最大：

（8）

如果我们考虑天线是分开的

，为了最大化FOV，角分辨率将与频率无关，仅由接收天线的数量决定。

（9）

因此，可以通过增加天线数量来提高分辨率。这只能通过向雷达 MMIC 收发器添加更多通道来实现。通过使用多根发射天线进行 MIMO（多输入多输出）和超分辨率后处理，可以进一步提高分辨率。

1.4 结论

在本条目中，介绍了确定雷达系统精度的参数。距离分辨率与雷达收发器的性能直接相关，而角分辨率和视场也取决于雷达系统中使用的天线的几何形状。

审核编辑：郭婷