遥遥领先瑞萨FMCW雷达的工作原理

什么是雷达？
雷达(无线电探测和测距)使用无线电波来探测环境中的物体。它允许确定距离(称为范围)、角位置(方位)和速度。雷达技术是在第二次世界大战期间为军事用途开发的，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机，它向某一方向发射电磁射频波(雷达信号)。目标物体反射的信号(回波)随后被雷达接收器检测到。反射的大小取决于物体的材料属性、大小和形状(雷达截面RCS)。通过处理这个反射信号，可以确定目标的特性。

调频连续波雷达

汽车雷达系统使用所谓的调频连续波(FMCW)工作。汽车电子晶振，该系统以某一频率发射连续波，然后在一段时间t内对其进行调制。这就给发射的信号加上了“时间戳”。信号传播到目标，一部分被反射回来。雷达将检测反射信号，并通过混合和处理结果信号将其与原始信号进行比较。图1给出了一个简化示意图。

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图一。FMCW汽车雷达–原理和构建模块

这种雷达信号的一个例子如图2和3所示。返回信号在形状上与发射信号相似，但在时间上有所偏移，因为从雷达到目标的双向行程需要的时间t与到目标的距离R成正比:

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c是光速。

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图二。锯齿波FMCW雷达信号:频率与时间

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图3。FMCW雷达信号:振幅与时间的关系

在任一给定时刻，GPS导航晶振，通过将反射波与原始信号进行比较，可以观察到频移f。这种移位允许确定信号或“啁啾”的每个周期的范围R。如果在几个啁啾内监测到信号，由于多普勒效应，对于朝向或远离雷达移动的目标，将检测到额外的频移fD。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，以获得目标的2D或3D位置。

这意味着，要进行4D探测(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，以便进一步处理。第一步将是创建所谓的“雷达立方体”。

雷达处理-雷达立方体

雷达数据立方体是存储的雷达数据的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，接收的信号被采样用于处理。第一步是执行FFT(快速傅立叶变换),使得每个样本对应于一个“仓”,以获得所谓的“快速时间”上的距离信息。这如图4所示。对形成一帧的每个啁啾重复该过程。

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图4。雷达处理:距离FFT

一旦一帧中的所有码片都被获取、保存和处理，就执行多普勒-FFT以获得关于目标速度的信息。这种评估每帧进行一次，即每N个啁啾进行一次。因此，它也被称为“慢时间”。最后，将所有可用通道的空间数据合并，得到包含目标空间位置信息的三维雷达立方体。雷达立方体的图形表示如图5所示。

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图5。雷达立方体

汽车雷达模块

半导体技术的进步，尤其是硅基技术的进步，网络设备晶振，促进了汽车雷达的部署。在21世纪10年代早期，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，如今硅锗(SiGe)的使用提高了集成密度，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的数字电路，同时保持良好的RF性能。

然而，为了实现雷达系统，每个雷达模块必须包括一个或多个MMIC收发器，其发射雷达信号，检测来自障碍物的回波，并执行一些信号调节和数字化，以准备原始雷达数据供处理单元进一步分析。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示出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上进行，但信号分析的接口并不固定。随着越来越复杂的雷达架构和信号处理，一些步骤，如第一次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单个单片芯片中，用于一些应用，如角落雷达。

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图6。雷达处理步骤

未来，可以实现更复杂的架构，在汽车周围分布几个卫星雷达。然后，雷达模块在将数据(例如距离和点云)传送到中央控制单元(ECU)之前，将仅执行有限数量的预处理，然后中央控制单元可以应用更高级的处理和数据融合，不仅是卫星雷达模块，还有其他传感器。

结论

本文概述了汽车应用中使用的FMCW雷达的工作原理，以及使用MMICs和MCU/SoC实现的方法。在下一篇博客中，我们将研究MMIC性能如何影响探测范围。