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毫米波雷达测距原理介绍

雷海科技

2022-11-03

导读：本期公众号介绍调频连续波的工作原理以及测距原理，并探讨毫米波距离分辨率，最后，使用雷海毫米波雷达实验盒、实验箱、角反射器等目标进行实验验证。

各位读者，通过前几期公众号的介绍，相信大家对LHmmWBox系列毫米波雷达实验盒有了大概的了解，对调频连续波(FMCW)雷达的工作原理和特点建立了初步的认识。本期公众号，我们将继续深入，重点分析FMCW体制的毫米波雷达是如何对目标的距离进行测量的。

一、工作原理

调频连续波（FMCW）雷达系统所用信号的频率随时间变化呈线性升高。这种类型的信号也称为线性调频脉冲。下图以幅度（振幅）相对时间的函数，显示了线性调频脉冲信号表示。

图1 线性调频脉冲信号（以振幅作为时间的函数）

如图1所示，为同一个线性调频脉冲信号（频率作为时间的函数）。该线性调频脉冲具有起始频率f_C、带宽B和持续时间T_C。该线性调频脉冲的斜率S表示频率的变化率。在例子中图3提供的示例中f_C=77GHz，B=4GHz，T_C=40μS，S=100MHZ/μ。

图2 线性调频脉冲信号（频率作为时间的函数）

FMCW雷达测距系统主要包含天线、射频、混频、AD以及数字信号处理几部分组成。在实际工作中，Tx天线发射线性调频脉冲信号，Rx天线并捕捉其发射路径中的物体反射的信号。图3所示为 FMCW雷达主射频组件的简化框图。该雷达的工作原理如下：

图3 FMCW 雷达框图

a) 合成器生成一个线性调频脉冲；

b) 该线性调频脉冲由发射天线（TX 天线）发射；

c) 物体对该线性调频脉冲的反射生成一个由接收天线（RX 天线）捕捉的反射线性调频脉冲；

d) 混频器将 RX 和 TX 信号合并到一起，生成一个中频 (IF) 信号。

其中混频器是一个电子组件，将两个信号合并到一起生成一个具有新频率的新信号，这个新的信号就是我们要处理的有效信号IF。

二、测距原理

混频器的工作方式，我们通过观察作为时间函数的 TX 和 RX 线性调频脉冲频率表示法来加以理解。图4中的上图为针对检测到的单个物体的 TX和 RX 线性调频脉冲作为时间的函数。

图4 IF 频率恒定不变

延时τ可通过数学方法推导出：τ=2d/c，其中是d与被检测物体的距离，c是光速。

要获取混频器输出处作为 IF 信号时间函数的频率表示，我们可以明显看出Tx的时间频率函数和Rx的时间频率函数之间的距离固定，这表示IF信号包含一个频率恒定的单音信号。该频率表示为S_τ，IF信号仅在 TX 线性调频脉冲和 RX线性调频脉冲重叠的时段（即图4中垂直虚线之间的时段）有效。

IF 信号的初始相位φ₀是 IF 信号起点对应的时间点（即图 4 中左侧垂直虚线表示的时间点）的TX线性调频脉冲相位与RX线性调频脉冲相位之差。其中φ₀=2πf_Cτ，通过数学方法，它可以进一步导入方程式φ₀=4πd/λ。

总之，对于与雷达的距离为d的物体，IF信号将是一个正弦波，因此

上述分析中我们忽略 IF 信号的频率与物体速度的依赖关系，因为在快速 FMCW 雷达中，其影响通常非常小。

以上是对于单目标的回波信号进行分析，下面对多个目标进行回波分析。

图5显示了接收自不同物体的三个不同的RX线性调频脉冲。每个线性调频脉冲的延时都不一样，延时和与该物体的距离成正比。不同的RX线性调频脉冲转化为多个IF单音信号，每个信号频率恒定。

图5 针对多个物体检测发射的多个 IF 单音信号

这个包含多个单音信号的IF信号必须使用傅里叶变换加以处理，以便分离不同的单频信号。傅里叶变换处理将会产生一个具有不同的分离峰值的频谱，每个峰值表示在特定距离处存在物体。

三、距离分辨率

距离分辨率是辨别两个或更多物体的能力。当两个物体靠近到某个位置时，雷达系统将不再能够将二者区分开物体。傅里叶变换理论指出，通过延长IF信号，可以提高分辨率。要延长IF信号，还必须按比例增加带宽。延长的IF信号会产生一个有两个分离峰值的IF谱。傅里叶变换理论还指出，观测窗口T可以分辨间隔超过（1/T）Hz的频率分量。这意味着只要频率差满足下面方程式中给出的关系，就可以分辨两个IF单频信号。