第三节 毫米波雷达
一、毫米波雷达的定义
毫米波雷达是工作在毫米波频段的雷达，如图2-12所示。毫米波是指波长在1～10mm的电磁波，对应的频率范围为30～300GHz。毫米波雷达是ADAS核心传感器，主要用于自适应巡航控制系统、自动紧急制动系统、盲区监测系统、行人检测系统等。
图2-12 毫米波雷达
毫米波位于微波与远红外波相交叠的波长范围，所以毫米波兼有这两种波谱的优点，同时也有自己独特的性质。根据波的传播理论，频率越高，波长越短，分辨率越高，穿透能力越强，但在传播过程的损耗也越大，传输距离越短；频率越低，波长越长，绕射能力越强，传输距离越远。所以与微波相比，毫米波的分辨率高，指向性好，抗干扰能力强和探测性能好。与红外波相比，毫米波的大气衰减小，对烟雾和灰尘具有更好的穿透性，受天气影响小。
二、毫米波雷达的特点
毫米波雷达具有以下优点。
（1）探测距离远 毫米波雷达探测距离远，最远可达250m左右。
（2）响应速度快 毫米波的传播速度与光速一样，并且其调制简单，配合高速信号处理系统，可以快速地测量出目标的角度、距离、速度等信息。
（3）适应能力强 毫米波具有很强的穿透能力，在雨、雪、大雾等恶劣天气依然可以正常工作，而且不受颜色与温度的影响。
毫米波雷达的缺点是覆盖区域呈扇形，有盲点区域；无法识别道路标线、交通标志和交通信号灯。
三、毫米波雷达的类型
毫米波雷达可以按照工作原理、探测距离和频段进行分类。
（1）按工作原理分类 毫米波雷达按工作原理的不同可以分为脉冲式毫米波雷达与调频式连续毫米波雷达两类。脉冲式毫米波雷达通过发射脉冲信号与接收脉冲信号之间的时间差来计算目标距离；调频式连续毫米波雷达是利用多普勒效应测量得出不同目标的距离和速度。脉冲方式测量原理简单，但由于受技术、元器件等方面的影响，实际应用中很难实现。目前，大多数车载毫米波雷达都采用调频式连续毫米波雷达。
（2）按探测距离分类 毫米波雷达按探测距离可分为近距离（SRR）、中距离（MRR）和远距离（LRR）毫米波雷达。
（3）按频段分类 毫米波雷达按采用的毫米波频段不同，划分有24GHz、60GHz、77GHz和79GHz毫米波雷达，主流可用频段为24GHz和77GHz，如图2-13所示。79GHz有可能是未来发展趋势。
图2-13 24GHz和77GHz毫米波雷达
77GHz毫米波雷达与24GHz毫米波雷达相比具有以下不同。
①77GHz毫米波雷达探测距离更远。
②77GHz毫米波雷达的体积更小。
③77GHz毫米波雷达所需要的工艺更高。
④77GHz毫米波雷达的检测精度更好。
⑤相对于24GHz毫米波雷达的射频芯片，77GHz雷达射频的芯片更不易获取。
四、毫米波雷达的测量原理
调频式连续毫米波雷达是利用多普勒效应测量得出不同目标的距离和速度，它通过发射源向给定目标发射毫米波信号，并分析发射信号时间、频率和反射信号时间、频率之间的差值，精确测量出目标相对于雷达的距离和运动速度等信息。
雷达调频器通过天线发射毫米波信号，发射信号遇到目标后，经目标的反射会产生回波信号，发射信号与回波信号相比形状相同，时间上存在差值；当目标与雷达信号发射源之间存在相对运行时，发射信号与回波信号之间除存在时间差外，还会产生多普勒频率，如图2-14所示。
图2-14 调频式连续毫米波雷达的测量原理
毫米波雷达测距和测速的计算公式分别为
（2-1）
（2-2）
式中，s为相对距离；c为光速；Δt为发射信号与回波信号的时间间隔；T为信号发射周期；f'为发射信号与反射信号的频率差；Δf为调频带宽；fd为多普勒频率；f0为发射信号的中心频率；u为相对速度。
五、毫米波雷达的目标识别流程
毫米波雷达的目标识别是通过分析回波特征信息，采用数学手段通过各种特征空间变换来抽取目标的特性参数，如大小、材质、形状等，并将抽取的特性参数与已建立的数据库中的目标特征参数进行比较、辨别和分类，其流程如图2-15所示。
图2-15 毫米波雷达的目标识别流程
（1）特征信息提取 利用发射源与目标处于相对静止状态时的中频信号可以进行目标特征信息的提取，以有效进行目标识别。
（2）特征空间变换 特征空间变换是利用梅林变换、沃尔什变换、马氏距离线性变换等正交变换方法，解除不同目标特征间的相关性，加强不同目标特征间的可分离性，最终剔除冗余特征，达到减少计算量的目的。
（3）识别算法 识别算法主要有空目标去除、无效目标去除和静止目标去除。
（4）目标特征库的建立 目标特征库的建立有3种方法：通过实际试验数据建立，通过半实物仿真数据建立，通过虚拟仿真数据建立。
（5）识别结果输出 把识别结果输出到有关的控制系统中，完成相应的控制功能。
六、毫米波雷达的应用
毫米波雷达广泛应用于智能网联汽车的自适应巡航控制系统、前向碰撞预警系统、自动紧急制动系统、盲区监测系统、自动泊车辅助系统、变道辅助系统等先进驾驶辅助系统（ADAS）中，见表2-3。
表2-3 毫米波雷达在智能网联汽车上的应用
为了满足不同距离范围的探测需要，一辆汽车上会安装多个近距离、中距离和远距离毫米波雷达。其中24GHz雷达系统主要实现近距离（SRR）探测，77GHz雷达系统主要实现中距离（MRR）和远距离（LRR）探测。不同的毫米波雷达在车辆前方、侧方和后方发挥不同的作用。
毫米波雷达在智能网联汽车ADAS中的应用如图2-16所示。例如自适应巡航控制需要3个毫米波雷达，车辆正中间一个77GHz的LRR，探测距离在150～250m之间，角度为10°左右；车辆两侧各一个24GHz的SRR，角度都为30°，探测距离在50～70m之间。
图2-16 毫米波雷达在智能网联汽车ADAS中的应用
七、毫米波雷达的布置
毫米波雷达在智能网联汽车上的布置如图2-17所示，它分为正向毫米波雷达布置、侧向毫米波雷达布置和毫米波雷达布置高度。
图2-17 毫米波雷达在智能网联汽车上的布置
（1）正向毫米波雷达布置 正向毫米波雷达一般布置在车辆中轴线，外露或隐藏在保险杠内部。雷达波束的中心平面要求与路面基本平行，考虑雷达系统误差、结构安装误差、车辆载荷变化后，需保证与路面夹角的最大偏差不超过5°。
另外，在某些特殊情况下，正向毫米波雷达无法布置在车辆中轴线上时，允许正Y向最大偏置距离为300mm，偏置距离过大会影响雷达的有效探测范围。
（2）侧向毫米波雷达布置 侧向毫米波雷达在车辆四角呈左右对称布置，前侧向毫米波雷达与车辆行驶方向成45°夹角，后侧向毫米波雷达与车辆行驶方向成30°夹角，雷达波束的中心平面与路面基本平行，角度最大偏差仍需控制在5°以内。
（3）毫米波雷达布置高度 毫米波雷达在Z方向探测角度一般只有±5°，雷达安装高度太高会导致下盲区增大，太低又会导致雷达波束射向地面，地面反射带来杂波干扰，影响雷达的判断。因此，毫米波雷达的布置高度（即地面到雷达模块中心点的距离），一般建议在500mm（满载状态）至800mm（空载状态）之间。
毫米波雷达在布置时，还需要兼顾考虑其他因素，如雷达区域外造型的美观性、对行人保护的影响、设计安装结构的可行性、雷达调试的便利性、售后维修成本等。