雷達(dá)收發(fā)器在ADAS和自動駕駛中的重要地位

在這篇專門討論汽車?yán)走_(dá)的博客的最后一篇文章中，我們分析了影響探測范圍的 MMIC 雷達(dá)收發(fā)器的參數(shù)。在這里，我們將解釋如何提高檢測精度，重點(diǎn)關(guān)注視場以及范圍和角度分辨率。確實(shí)，僅僅“看”得越遠(yuǎn)越好。能夠區(qū)分距離或角度（方位）接近的兩個目標(biāo)也很重要。

圖像

1.1 距離分辨率

雷達(dá)的距離分辨率定義為區(qū)分放置在相同角方向（方位）但距雷達(dá)不同距離的不同目標(biāo)的能力。兩個目標(biāo)反射的信號在時域中發(fā)生偏移。

圖 1 發(fā)射和接收的雷達(dá)信號（2 個目標(biāo)）。

在執(zhí)行 FFT（快速傅立葉變換）之后，獲得了對應(yīng)于每個目標(biāo)的兩個單獨(dú)的基帶頻率（頻移）。

圖 2 兩個檢測到的目標(biāo)的頻移（基帶頻率）。

兩個目標(biāo)越接近，基帶頻率Δ f 1和Δ f 2之間的差異越小。在某個時刻，雷達(dá)系統(tǒng)將無法再將它們分開。該最小頻移/距離對應(yīng)于一個 FFT bin。在觀察時間T c內(nèi)可以解析的最小頻率差 Δ f為：

（1）

Δ f可以通過增加觀察時間來改善（即最小化）。

目標(biāo)之間的距離 Δ R與 Δ f直接相關(guān)：

（2）

其中 c 為光速。

其中S是發(fā)射雷達(dá)信號的斜率（以 Hz/s 為單位的啁啾率）。由于帶寬是信號斜率及其持續(xù)時間的乘積，因此距離分辨率 d res可以寫成信號帶寬的函數(shù)：

（3）

因此，雷達(dá)芯片的帶寬將對可實(shí)現(xiàn)的距離分辨率產(chǎn)生直接影響：

表 1 距離分辨率與雷達(dá)信號帶寬。

對于需要高分辨率的應(yīng)用，例如成像雷達(dá)，將需要大帶寬。然而，遠(yuǎn)程雷達(dá)等其他應(yīng)用不需要厘米數(shù)量級的精度，因此較小的帶寬就足夠了。考慮這一點(diǎn)很重要，因?yàn)樽畲罄走_(dá)范圍與帶寬成反比：

（4）

對于給定的采樣率F s，增加帶寬將減小檢測范圍。

1.2 視野

以明確的方式確定目標(biāo)（方位）的方向也很重要。這只能在雷達(dá)的視場 （FOV） 內(nèi)實(shí)現(xiàn)，它定義了雷達(dá)在方位角（水平面）和仰角（垂直面）的角度覆蓋范圍。

圖像圖像汽車?yán)走_(dá)使用多個接收天線來確定反射信號的到達(dá)角 （AoA），從而確定障礙物的角位置。因此，天線陣列的幾何形狀將成為視場的限制因素。

如果考慮單個發(fā)射天線，F(xiàn)OV 將由接收天線的幾何形狀和輻射特性決定。讓我們考慮兩個接收天線相隔距離 d 的情況。

圖 5 用于確定 AoA 的接收天線。

可以通過比較每個天線接收到的信號的相移來計(jì)算信號的到達(dá)角。接收信號的相移取決于頻率（波長）和天線之間的距離，如圖 6 所示：

（5）

到達(dá)角的明確測量的角度范圍是相位差從 -180° 到 +180° 單調(diào)變化的范圍，因此從純幾何的角度來看，理論 FOV 由下式給出：

（6）

當(dāng)可以檢測到從 -90° 到 +90° 的所有到達(dá)角時，可實(shí)現(xiàn)最大視野。這是當(dāng)天線之間的距離等于工作頻率波長的一半時的情況，即：

圖 6 兩個接收天線的相位差，d = λ/2。

對于 77GHz 的汽車?yán)走_(dá)，理論 FOV 可以通過使用大約 2mm 的天線之間的間隔來最大化。這是假設(shè)使用的天線是各向同性的輻射器。在現(xiàn)實(shí)生活中，視場將進(jìn)一步受到天線輻射模式的限制。

現(xiàn)在讓我們考慮一下，接收天線是兩個均勻的線性貼片陣列，如圖 8 所示。

圖 7 線性貼片陣列作為接收天線，用于確定方位角和仰角的 AoA。

在這種情況下，方位角上的天線方向圖很寬（相當(dāng)于貼片天線），因此它對FOV的影響是有限的。主要的限制效應(yīng)是行之間的間距 dx，F(xiàn)OV 可以使用 eq. （6）。

對于仰角 FOV，垂直行中的所有貼片都被視為單個天線。為了計(jì)算理論 FOV，我們需要考慮行的相位中心（即行的總輻射起源的假想點(diǎn)）。仰角的理論 FOV 將受到每個垂直行 （dy） 的相位中心之間的垂直間距的限制。如果這種分離是半個波長，我們原則上可以獲得最大 FOV。然而，在這種情況下，天線的半功率波束寬度 （HPBW） 要小得多（~20-25°），因此無法在天線波束之外進(jìn)行檢測。在這種情況下，輻射方向圖將成為 FOV 的限制因素。

1.3 角度分辨率

與距離分辨率的情況一樣，能夠區(qū)分以不同角度（方位）放置但距離相同的兩個單獨(dú)目標(biāo)也很重要。這里，由于信號延遲引起的頻移不能用于識別來自每個目標(biāo)的信號。同樣，需要特殊的分集，在不同的位置有多個天線。

角分辨率θ res表示雷達(dá)可以分辨的最小角間距。對于單個發(fā)射天線，它可以計(jì)算為：

（7）

N是接收天線的數(shù)量，θ是到達(dá)角。對于接近視軸方向 （ θ = 0°） 的軸承，角分辨率最大：

（8）

如果我們考慮天線是分開的

，為了最大化FOV，角分辨率將與頻率無關(guān)，僅由接收天線的數(shù)量決定。

（9）

因此，可以通過增加天線數(shù)量來提高分辨率。這只能通過向雷達(dá) MMIC 收發(fā)器添加更多通道來實(shí)現(xiàn)。通過使用多根發(fā)射天線進(jìn)行 MIMO（多輸入多輸出）和超分辨率后處理，可以進(jìn)一步提高分辨率。

1.4 結(jié)論

在本條目中，介紹了確定雷達(dá)系統(tǒng)精度的參數(shù)。距離分辨率與雷達(dá)收發(fā)器的性能直接相關(guān)，而角分辨率和視場也取決于雷達(dá)系統(tǒng)中使用的天線的幾何形狀。

審核編輯：郭婷