毫米波雷达的原理是怎样的?毫米波雷达如何应用在无人驾驶车上?
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2021-05-27 21:51 更新 个性的热带鱼 •  41
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毫米波就是电磁波,雷达通过发射无线电信号并接收反射信号来测定车辆与物体间的 距离,其频率通常介于 10~300GHz 之间。 与厘米波导引头相比,毫米波导引头体积小、质量轻、空间分辨率高;与红外、激光、电视等光学导引头相比,毫米波导引头穿透雾、烟、灰尘 的能力强;另外,毫米波导引头的抗干扰性能也优于其他微波导引头。 下图为毫米波雷 达工作示意图。

毫米波工作频率为30~300GHz , 波长为 1-10mm , 介于厘米波与光波之间,因此毫米波兼有微波制导和光电制导的优点。 雷达测量的是反射信号的频率转变,进而推测其速度 变化。 毫米波雷达可以检测 30-100m 远的物体,高性能毫米波雷达可以探测更远的物体。

同时,毫米波雷达不受天气的影响,即使是最恶劣的天气和光照条件下也能正常工作,穿透 烟雾的能力很强。 毫米波雷达具有全天候、全天时的工作特性,且探测距离远、探测精度高, 被广泛应用于车载距离探测,如自适应巡航、碰撞预警、盲区探测、自动紧急制动等。

毫米波雷达的测距和测速原理都是基于多普勒效应,其采集的原始数据基于极坐标系 ( 距离 + 角度) 其工作时,振荡器会产生一个频率随时间逐渐增加的信号,这个信号遇到障 。 碍物之后,会反射回来,其时延为 2 倍的距离除以光速。 返回的波形和发出的波形之间有频 率差,这个频率差是呈线性关系的:物体越远,返回的波收到得越晚,那么它跟入射波的频 率差值就越大。 将这两个频率做一个减法,就可以得到二者频率的差拍频率,通过判断差拍 频率的高低就可以判断障碍物的距离。

在自动驾驶汽车领域,车载毫米波雷达通过天线发射毫米波,接收目标反射信号,经后 台处理后快速准确地获取汽车车身周围的物理环境信息(如汽车与其他物体之间的相对距 , 离、相对速度、角度、运动方向等) 然后根据所探知的物体信息进行目标追踪和识别分类,进 而结合车身动态信息和其他传感器接收的信息进行数据融合,通过中央处理单元( ECU ) 进 行智能处理,经合理决策后,及时对汽车运动执行控制,从而实现自动驾驶。 下图为毫米波雷达工作原理图。

相比激光雷达,毫米波雷达精度低、可视范围角度偏小,一般需要多个雷达组合使用。 毫米波雷达传输的是不可见的电磁波,因此它无法检测上过漆的木头或是塑料,行人的反射 波也较弱。 同时,毫米波雷达对金属表面非常敏感,一个弯曲的金属表面会被误认为是一个 面积很大的表面。 因此,马路上的一个小小的易拉罐甚至也可能被毫米波雷达判断为很大 的路障。 此外,毫米波雷达在隧道里的效果同样不佳。

毫米波 雷 达 的 可 用 频 段 有 24GHz 、 60GHz 、 77GHz 和 79GHz , 主 流 使 用 24GHz 和 77GHz 频段,分别用于中短距离和中长距离探测。 相比于 24GHz 频段, 77GHz 毫米波雷达 物体探测分辨率可以提高 2-4 倍,测速和测距精度提高 3~5 倍,能检测行人和自行车,且 设备体积更小,更方便 在 无 人 驾 驶 汽 车 上 部 署。 因 此 频 段 发 展 趋 势 是 逐 渐 由 24GHz 向 77GHz 过渡的。

1997 年,欧洲电信标准学会确认 76-77GHz 作为防撞雷达专用频道。 早在 2005 年, 原信息产业部发布要求,将 77GHz 频段划分给车辆测距雷达。 2012 年,工业和信息化部又 将 24GHz 划分给短距车载雷达。 2015 年,日内瓦世界无线电通信大会将 77.5-78.0GHz 频段划分给无线电定位业务,以支持短距高分辨率车载雷达的发展,从而使 76-81GHz 都 可用于车载雷达,为全球车载毫米波雷达的频率统一指明了方向。 最终,车载毫米波雷达将 会统一于 77GHz 频段( 76-81GHz ), 该频段带宽更大,功率水平更高,探测距离更远。

毫米波雷达的主要问题是存在互相干扰的可能。 频率不同的电磁波在传输过程中相互 独立,但是频率相近的电磁波却会互相叠加,使信号劣化。 调频连续波雷达本身不能免疫干扰。 随着道路上装载毫米波雷达的车辆增加,相似频段的雷达信号也随之增加,雷达之间的 干扰不可避免。干扰信号可以通过直线传播直接干扰,也可以经过物体反射从而间接干扰。

这样的结果是大大降低了信号的信噪比,甚至会导致雷达“致盲”。

注:本回答的主要内容来自图书《自动驾驶技术概论》清华大学出版社

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2021-05-27 21:57 更新 安静的灌汤包 •  68