毫米波FMCW雷達(dá)測距、測速原理、應(yīng)用

MEMS/傳感技術(shù)

 毫米波 (millimeter wave )波長為1～10毫米的電磁波稱毫米波,它位于微波與遠(yuǎn)紅外波相交疊的波長范圍,因而兼有兩種波譜的特點。

 它具有以下主要特點:

 ?極寬的帶寬:通常認(rèn)為毫米波頻率范圍為26.5～300GHz,帶寬高達(dá)273.5GHz。超過從直流到微波全部帶寬的10倍。即使考慮大氣吸收,在大氣中傳播時只能使用四個主要窗口,但這四個窗口的總帶寬也可達(dá)135GHz,為微波以下各波段帶寬之和的5 倍。這在頻率資源緊張的今天無疑極具吸引力。

 ?波束窄:在相同天線尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多。例如一個 12cm的天線,在9.4GHz時波束寬度為18度,而94GHz時波速寬度僅1.8度。因此可以分辨相距更近的小目標(biāo)或者更為清晰地觀察目標(biāo)的細(xì)節(jié)。

 ?與激光相比:毫米波的傳播受氣候的影響要小得多,可以認(rèn)為具有全天候特性。

 ?和微波相比:毫米波元器件的尺寸要小得多。因此毫米波系統(tǒng)更容易小型化。

 為此,它們在通信、雷達(dá)、制導(dǎo)、遙感技術(shù)、射電天文學(xué)和波譜學(xué)方面都有重大的意義。利用大氣窗口的毫米波頻率可實現(xiàn)大容量的衛(wèi)星-地面通信或地面中繼通信。利用毫米波天線的窄波束和低旁瓣性能可實現(xiàn)低仰角精密跟蹤雷達(dá)和成像雷達(dá)。在遠(yuǎn)程導(dǎo)彈或航天器重返大氣層時,需采用能順利穿透等離子體的毫米波實現(xiàn)通信和制導(dǎo)。高分辨率的毫米波輻射計適用于氣象參數(shù)的遙感。用毫米波和亞毫米波的射電天文望遠(yuǎn)鏡探測宇宙空間的輻射波譜可以推斷星際物質(zhì)的成分。

 毫米波雷達(dá)(Millimeter Wave Radar)的應(yīng)用

 表面上看來毫米波系統(tǒng)和微波系統(tǒng)的應(yīng)用范圍大致是一樣的。但實際上兩者的性能有很大的差異,優(yōu)缺點正好相反。因此毫米波系統(tǒng)經(jīng)常和微波系統(tǒng)一起組成性能互補的系統(tǒng)。下面分述各種應(yīng)用的進展情況。毫米波雷達(dá)的優(yōu)點是角分辨率高、頻帶寬因而有利于采用脈沖壓縮技術(shù)、多普勒頗移大和系統(tǒng)的體積小。缺點是由于大氣吸收較大,當(dāng)需要大作用距離時所需的發(fā)射功率及天線增益都比微波系統(tǒng)高。下面是一些典型的應(yīng)用實例。

 空間目標(biāo)識別雷達(dá):它們的特點是使用大型天線以得到成像所需的角分辨率和足夠高的天線增益,使用大功率發(fā)射機以保證作用距離。例如一部工作于35GHz的空間目標(biāo)識別雷達(dá)其天線直徑達(dá)36m。用行波管提供10kw的發(fā)射功率,可以拍攝遠(yuǎn)在16,000km處的衛(wèi)星的照片。一部工作于94GHz的空間目標(biāo)識別雷達(dá)的天線直徑為13.5m。當(dāng)用回波管提供20kw的發(fā)射功率時,可以對14400km遠(yuǎn)處的目標(biāo)進行高分辨率攝像。

 汽車防撞雷達(dá): 因其作用距離不需要很遠(yuǎn),故發(fā)射機的輸出功率不需要很高,但要求有很高的距離分辨率(達(dá)到米級),同時要能測速,且雷達(dá)的體積要盡可能小。所以采用以固態(tài)振蕩器作為發(fā)射機的毫米波脈沖多普勒雷達(dá)。采用脈沖壓縮技術(shù)將脈寬壓縮到納秒級,大大提高了距離分辨率。利用毫米波多普勒頗移大的特點得到精確的速度值。

 直升飛機防控雷達(dá): 現(xiàn)代直升飛機的空難事故中,飛機與高壓架空電纜相撞造成的事故占了相當(dāng)高的比率。因此直升飛機防控雷達(dá)必須能發(fā)現(xiàn)線徑較細(xì)的高壓架空電纜,需要采用分辨率較高的短波長雷達(dá),實際多用3mm雷達(dá)。

 精密跟蹤雷達(dá): 實際的精密跟蹤雷達(dá)多是雙頻系統(tǒng),即一部雷達(dá)可同時工作于微波頻段(作用距離遠(yuǎn)而跟蹤精度較差)和毫米波頻段(跟蹤精度高而作用距離較短),兩者互補取得較好的效果。例如美國海軍研制的雙頻精密跟蹤雷達(dá)即有一部9GHz、300kw的發(fā)射機和一部35GHz、13kw的發(fā)射機及相應(yīng)的接收系統(tǒng),共用2.4m拋物面天線,已成功地跟蹤了距水面30m高的目標(biāo),作用距離可達(dá)27km。雙額還帶來了一個附加的好處:毫米波頻率可作為隱蔽頻率使用,提高雷達(dá)的抗干擾能力。

 汽車主動防碰撞的工作原理

 汽車防碰撞系統(tǒng)對提高汽車行駛安全性十分重要,該系統(tǒng)的研究一直倍受重視。從1971年開始,相繼出現(xiàn)過超聲波、激光、紅外、微波等多種方式的主動汽車防碰撞系統(tǒng),但是以上系統(tǒng)均存在一些不足,未能在汽車上大量推廣應(yīng)用。隨著各國高速公路網(wǎng)的快速發(fā)展,惡性交通事故不斷增加,為減少事故,先后采用行駛安全帶、安全氣囊等保護措施,但這些技術(shù)均為被動防護,不能從根本上解決問題。毫米波RF帶寬大,分辨率高,天線部件尺寸小,能適應(yīng)惡劣環(huán)境,所以毫米波雷達(dá)系統(tǒng)具有重量輕、體積小和全天候等特點,“主動汽車毫米波防碰撞雷達(dá)系統(tǒng)”成為近年來國際上研究與開發(fā)的熱點,并已有產(chǎn)品開始投入市場,前景十分看好。

 主動汽車防碰撞是以雷達(dá)測距、測速為基礎(chǔ)的。防撞雷達(dá)系統(tǒng)實時監(jiān)測車輛的前方,當(dāng)有危險目標(biāo)(如行駛前方停止或慢行的車輛)出現(xiàn),雷達(dá)系統(tǒng)提前向司機發(fā)出報警,使司機及時作出反應(yīng),同時雷達(dá)輸出信號到達(dá)汽車控制系統(tǒng),根據(jù)情況進行自動剎車或減速。

 毫米波防撞雷達(dá)系統(tǒng)有調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)雷達(dá)和脈沖雷達(dá)兩種。對于脈沖雷達(dá)系統(tǒng),當(dāng)目標(biāo)距離很近時,發(fā)射脈沖和接收脈沖之間的時間差非常小,這就要求系統(tǒng)采用高速信號處理技術(shù),近距離脈沖雷達(dá)系統(tǒng)就變的十分復(fù)雜,成本也大幅上升。因而汽車毫米波雷達(dá)防撞系統(tǒng)常采用結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、適合做近距離探測的調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)體制。

 射頻收發(fā)前端是雷達(dá)系統(tǒng)的核心部件。國內(nèi)外已經(jīng)對前端進行了大量深入研究,并取得了長足的進展。已經(jīng)研制出各種結(jié)構(gòu)的前端,主要包括波導(dǎo)結(jié)構(gòu)前端,微帶結(jié)構(gòu)前端以及前端的單片集成。國內(nèi)研制的射頻前端主要是波導(dǎo)結(jié)構(gòu)前端。一個典型的射頻前端主要包括線性VCO、環(huán)行器和平衡混頻器三部分。前端混頻輸出的中頻信號經(jīng)過中頻放大送至后級數(shù)據(jù)處理部分。數(shù)據(jù)處理部分的基本目標(biāo)是消除不必要信號(如雜波)和干擾信號,并對經(jīng)過中頻放大的混頻信號進行處理,從信號頻譜中提取目標(biāo)距離和速度等信息。

 毫米波FMCW雷達(dá)測距、測速原理

 雷達(dá)系統(tǒng)通過天線向外發(fā)射一列連續(xù)調(diào)頻毫米波,并接收目標(biāo)的反射信號。發(fā)射波的頻率隨時間按調(diào)制電壓的規(guī)律變化。一般調(diào)制信號為三角波信號。反射波與發(fā)射波的形狀相同,只是在時間上有一個延遲,發(fā)射信號與反射信號在某一時刻的頻率差即為混頻輸出的中頻信號頻率,且目標(biāo)距離與前端輸出的中頻頻率成正比。如果反射信號來自一個相對運動的目標(biāo),則反射信號中包括一個由目標(biāo)的相對運動所引起的多譜勒頻移。根據(jù)多譜勒原理就可以計算出目標(biāo)距離和目標(biāo)相對運動速度。

 已開發(fā)的車用主動防碰撞毫米波雷達(dá)

 博世最近發(fā)表了采用SiGe技術(shù)的毫米波雷達(dá)LRR(Long Range Rader)3。此次開發(fā)的毫米波雷達(dá)由77GHz頻帶的MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuits)芯片組、4根貼片天線以及專用ASIC構(gòu)成。芯片組由發(fā)送和接收用的兩個芯片組成,兩芯片均使用了SiGe技術(shù)。毫米波雷達(dá)的可檢測距離為0.5m～250m。檢測角度范圍在30m遠(yuǎn)處為30度。

 博世表示通過采用SiGe技術(shù),可以比以往采用的MMIC技術(shù)降低成本。將來有望在車輛上配備兩個毫米波雷達(dá),并可追加功能。該公司在車輛前方配備了兩個毫米波雷達(dá),并公布了車輛試驗結(jié)果——檢測角度范圍在30m遠(yuǎn)處擴大到了60度。

 與只配備一個毫米波雷達(dá)相比,配備兩個毫米波雷達(dá)提高了急轉(zhuǎn)彎時的檢測精度,可以更加準(zhǔn)確地捕捉到前方車輛及路邊的護欄等。實車試驗中,在曲率半徑為35m的道路上也可準(zhǔn)確地識別前方車輛。該公司表示,該裝備能夠提高低速追蹤的ACC(Adaptive Cruise Control System)的準(zhǔn)確度等。另外,將來還可以增加各種功能,比如通過檢測路旁的護欄等來識別彎道的形狀,與車輛的橫擺力矩配合以防止側(cè)滑等。

 日立制作所最近開發(fā)出兩種體積更小的車載毫米波雷達(dá),使用76GHz頻帶,檢測距離最長達(dá)200m。

 用于進行長距離檢測的(檢測范圍1m-127m)毫米波雷達(dá),尺寸為橫100mm×縱80mm×厚30mm。與原來的機型相比,模塊的厚度和體積大約分別減至以來的1/3和1/4。另外,用于進行短距離檢測的毫米波雷達(dá)(檢測范圍0.1m—25m)主要通過改進天線,將檢測角度從長距離檢測雷達(dá)的±15度擴大到了±35度。

 毫米波雷達(dá)主要由天線、高頻電路及信號處理部分組成。日立制作所為了減小毫米波雷達(dá)的厚度,改進了高頻電路及信號處理部分,通過將MMIC芯片封裝在多層印刷線路板上,減小了體積,與原來使用單層印刷線路板的雷達(dá)相比,大幅提高了高頻部件的封裝密度。在提高微處理器性能的同時,通過增加混載內(nèi)存的存儲容量,將全部處理均集中在了1個微處理器上。由于減少了微處理器,所以信號處理部分生產(chǎn)的內(nèi)部熱量也隨之減少,從而提高了部件的封裝密度,這也為信號處理部分的小型化做出了貢獻。

 電裝宣布開發(fā)出了體積比原款減小一半、成本大幅削減的毫米波雷達(dá)。使用高性能信號處理技術(shù),通過減少天線的接收信道數(shù),實現(xiàn)了天線和收發(fā)元件的小型化。通過連接天線和收發(fā)元件,將傳送電波的導(dǎo)波管和收發(fā)天線融為一體,實現(xiàn)了產(chǎn)品的小型化和低成本化。