ADAS和自动驾驶中FMCW雷达基础知识

1.1 什么是雷达？

雷达（Radio Detection and Ranging 的首字母缩写词）使用无线电波来检测环境中的物体。它允许确定距离（称为范围）、角位置（方位）和速度。雷达技术是在二战期间为军事用途而开发的，但现在有许多民用应用，包括空中或海上交通管制、天文学、海洋和气象监测、测高、地质观测和汽车应用。

雷达系统包括一个发射器，它向某个方向发射电磁射频波（雷达信号）。然后由雷达接收器检测从目标物体反射的信号（回波）。反射的幅度由物体的材料属性、大小和形状（雷达横截面 RCS）决定。通过处理这个反射信号，可以确定目标的特性。

1.2 FMCW雷达

汽车雷达系统使用所谓的调频连续波 （FMCW） 运行。该系统以特定频率发射连续波，然后在一段时间 T 内对其进行调制。这为发射的信号提供了“时间戳”。信号随后传播到目标，其中一部分被反射回来。雷达将检测反射信号并将其与原始信号进行比较，将它们混合并处理结果信号。简化示意图如图 1 所示。

图 1：FMCW 汽车雷达——原理和构建模块

图 2 和图 3 显示了这种雷达信号的一个示例。返回的信号在形状上与发送的信号相似，但随着从雷达到目标的双向行程花费时间 Δt，时间上发生了偏移与到目标 R 的距离成正比：

图像

其中 c 为光速。

图 2：锯齿波 FMCW 雷达信号：频率与时间。

图 3：FMCW 雷达信号：幅度与时间。

通过在任何给定时刻将反射波与原始信号进行比较，可以观察到频移 Δf。这种偏移允许确定信号或“啁啾”的每个周期的范围 R。如果在几个啁啾上监测信号，由于多普勒效应，将检测到一个额外的频移 fD 用于移动接近或远离雷达的目标。这允许确定目标的速度。最后，如果考虑不同的信道，使用空间分布的天线，可以建立信号的到达方向，从而获得目标的2D或3D位置。

这意味着，要进行 4D 检测（距离、方位角和仰角方向以及速度），需要对信号进行时空处理。为此，需要将信号数字化并保存以供进一步处理。第一步将是创建所谓的“雷达立方体”。

1.3 雷达处理——雷达立方体

雷达数据立方体是对存储的雷达数据进行时空处理的三维图形描述。它总结了获取距离、速度和方位信息所需的三个基本步骤。

如上所述，接收到的信号被采样处理。第一步是执行 FFT（快速傅里叶变换），使每个样本对应一个“bin”，以获得所谓的“快速时间”上的范围信息。这在图 4 中进行了说明。对形成帧的每个啁啾重复该过程。

图 4：雷达处理：距离 FFT。

一旦帧中的所有芯片都被采集、保存和处理，就会执行多普勒-FFT 以获得有关目标速度的信息。该评估每帧进行一次，即每N个啁啾。因此，它也被称为“慢时间”。最后，结合所有可用通道的空间数据，得到雷达立方体的第三维，其中包含目标空间位置的信息。雷达立方体的图形表示如图 5 所示。

图 5：雷达立方体。

1.4 汽车雷达模块

半导体技术的进步促进了汽车雷达的部署，尤其是基于硅的技术。虽然在 2010 年代初期，多通道雷达收发器集成在单个 GaAs（砷化镓）MMIC（单片微波集成电路）上，但如今硅锗 （SiGe） 的使用提高了集成密度并降低了大规模生产的成本。下一个挑战将是向 CMOS（互补金属氧化物半导体）的过渡，这将允许在芯片上集成更多数字电路，同时保持良好的射频性能。

然而，要实现雷达系统，每个雷达模块必须包括一个或多个 MMIC 收发器，这些收发器发射雷达信号，检测障碍物的回波，并执行一些信号调理和数字化，以准备原始雷达数据，以供处理程序进一步分析单元。后者可以是用于基本处理的微控制器单元 （MCU），但随着雷达技术的进步，SoC（片上系统）越来越多地用于实现更复杂的目标分析、检测和跟踪。

图 6 说明了在整个接收路径上处理雷达信号的不同步骤。虽然模拟射频处理和数字信号转换总是在 MMIC 上执行，但信号分析的接口不是固定的。随着雷达架构和信号处理越来越复杂，一些步骤（例如第一个 FFT）已经可以在 MMIC 上执行。此外，还可以将雷达收发器和处理单元组合在一个单片芯片中，用于角雷达等某些应用。

图 6：雷达处理步骤。

未来，可以实现更复杂的架构，在汽车周围分布多个卫星雷达。然后，雷达模块将在将数据（例如距离和点云）传送到中央控制单元（ECU）之前仅执行有限数量的预处理，然后中央控制单元（ECU）可以应用更先进的处理和数据融合，而不仅仅是卫星雷达模块以及其他传感器。

1.5 结论

本条目概述了用于汽车应用的 FMCW 雷达的工作原理，及其使用 MMIC 和 MCU/SoC 的实现。

审核编辑：郭婷