智能汽车传感器技术课件 第5章 毫米波雷达

智能汽车传感器技术项目五

毫米波雷达的认知、装调与应用【项目目标】2024年华为BU发布高精度4D毫米波雷达，采用波导天线、4T4R架构和100M以太接口，能实现距离、方位、高度和速度四个维度的信息获取。探测距离相比传统毫米波雷达提升35%、提升至280米，垂直视野相比传统毫米波雷达提升4倍、达到60°，成像精度提升4倍，时延降低65%。知识目标1.掌握毫米波特性，理解毫米波雷达结构与工作原理。2.理解FMCW调频连续波测距、多普勒效应测速和测方位原理。3.理解毫米波雷达关键技术参数，熟悉应用场景。技能目标1.能对毫米波雷达进行装调、参数调试和角度偏移修正、距离精度校准。2.能读取毫米波雷达输出数据，解析目标ID、距离、速度等。3.能调试毫米波雷达与摄像头的融合算法，开发简单应用。素质目标1.面对毫米波雷达技术应用与故障处理等问题，能够主动收集信息、分析问题本质，提出解决方案，塑造问题解决能力与创新思维。2.规范使用专用设备，树立严谨的安全规范与职业操守，培养精益求精的工匠精神。毫米波是指波长介于1～10mm的电磁波波长短、频段宽，易实现窄波束，分辨率高，不易受干扰主要用于采集车辆前方、后方和侧向运动目标的位置和运动速度，以及毫米波易于识别的静态目标。任务5.1毫米波的特性认知1.毫米波的频段特性频带宽、波长短、大气传播衰减大频带宽通常认为毫米波频率范围为26.5～300GHz，带宽高达273.5GHz，超过从直流到微波带宽之和的10倍考虑大气吸收，在大气中传播时使用四个主要窗口，但这四个窗口的总带宽也可达135GHz，是微波以下各波段带宽之和的5倍可以容纳大量系统信号在该频段工作而不会产生相互干扰低空空地导弹、地基雷达和5G通信使用了毫米波频段任务5.1毫米波的特性认知“大气窗口”是指35GHz、45GHz、94GHz、140GHz和220GHz等几个特殊频段1.毫米波的频段特性频带宽、波长短、大气传播衰减大波长短毫米波的频率介于红外波和厘米波之间，综合了二者的一些优点能像厘米波一样全天候环境使用，抗干扰能力强，不受物体表面形状、颜色的干扰具备近似红外波的高分辨率，可以分辨相距更近的小目标或者更为清晰地观察目标的细节易于利用多普勒效应对动态目标进行识别波束窄、天线口径小，更容易小型化任务5.1毫米波的特性认知1.毫米波的频段特性频带宽、波长短、大气传播衰减大大气传播衰减大毫米波在非“大气窗口”频率传播时，大气对毫米波具有较强的衰减作用，在60GHz、120GHz、180GHz等3个频段附近出现“衰减峰”即使如此，毫米波相对于激光和红外线，对水滴、尘埃和烟雾的穿透能力更强在目前智能汽车上使用的环境感知雷达中，几乎是唯一可以全天候工作的车载毫米波雷达的探测距离一般为150～200m，有些能够达到300m，能够满足高速行驶环境下对较大距离范围的环境监测需要任务5.1毫米波的特性认知2.车载毫米波雷达的频段实际上按频段分，24GHz不属于毫米波，但是传播特性与毫米波极为相似任务5.1毫米波的特性认知2.车载毫米波雷达的频段

24GHz77GHz79GHz带宽Typ.100MHzTyp.500MHzTyp.2GHz距离中近距中长距中长距距离分辨率Typ.1.5mTyp.0.3mTyp.0.075m探测距离30m80m200m角度分辨率较差探测角度±80°

±40°

±18°

点云N.A.较差较好主要应用盲点检测系统、后碰撞预警系统

侧向交通辅助系统和变道辅助系统

自适应巡航系统、自动紧急制动系统和前碰撞预警系统

国内频段已批准已批准未开放任务5.1毫米波的特性认知2.车载毫米波雷达的频段常用前向毫米波雷达和角向毫米波雷达性能指标任务5.1毫米波的特性认知生活中有这样一个有趣的现象：当一辆救护车迎面驶来的时候，听到声音比原来高；而车离去的时候声音的音高比原来低多普勒效应（DopplerEffect）当声音、光和无线电波等振动源与观测者以相对速度v运动时，观测者所收到的振动频率与振动源所发出的频率有不同且物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化当目标向雷达天线靠近时，反射信号频率将高于发射信号频率（blueshift

)当目标远离天线而去时，反射信号频率将低于发射信号频率(

redshift

)波源的速度越高，所产生的效应越大，根据波红（蓝）移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度任务5.2多普勒效应测距、测速、测角度原理毫米波雷达和激光雷达也称为雷达（RADAR，RadioDetectionandRanging）根据电磁波发射和回波信号的时间差测得目标的位置数据和相对距离多普勒效应毫米波雷达发射窄波束激光雷达发射光线任务5.2多普勒效应测距、测速、测角度原理毫米波雷达发射波调制方式调频连续波FMCW脉冲波ESR任务5.2多普勒效应测距、测速、测角度原理1.多普勒测距原理

雷达分辨率：可以区分的两个物体的最近的距离，用光速÷（雷达带宽×2）表达任务5.2多普勒效应测距、测速、测角度原理2.多普勒测速原理

任务5.2多普勒效应测距、测速、测角度原理

任务5.2多普勒效应测距、测速、测角度原理2.多普勒测速原理

任务5.2多普勒效应测距、测速、测角度原理2.多普勒测速原理

任务5.2多普勒效应测距、测速、测角度原理2.多普勒测速原理

任务5.2多普勒效应测距、测速、测角度原理2.多普勒测速原理

任务5.2多普勒效应测距、测速、测角度原理2.多普勒测速原理3.多普勒测角原理

任务5.2多普勒效应测距、测速、测角度原理毫米波雷达的组成包括外壳、天线、雷达天线高频PCB板和前端单片微波集成电路MMIC天线包括发射天线和接收天线，分别发射和接收毫米波。雷达天线高频PCB板：毫米波雷达天线的主流方案是微带阵列，将高频PCB板集成在普通的PCB基板上实现天线的功能前端单片微波集成电路（MMIC）：包括多种功能电路，如低噪声放大器（LNA）、功率放大器、混频器、甚至收发系统等功能任务5.3毫米波雷达结构与原理天线包括发射天线和接收天线，分别发射和接收毫米波。雷达天线高频PCB板：毫米波雷达天线的主流方案是微带阵列，将高频PCB板集成在普通的PCB基板上实现天线的功能前端单片微波集成电路（MMIC）：包括多种功能电路，如低噪声放大器（LNA）、功率放大器、混频器、甚至收发系统等功能任务5.3毫米波雷达结构与原理毫米波雷达的组成包括外壳、天线、雷达天线高频PCB板和前端单片微波集成电路MMIC英飞凌汽车毫米波雷达前端主要包括波导结构的前端、微带结构的前端和前端的单片集成。典型的射频前端主要包括天线、线性VCO、放大器和平衡混频器部分，前端混频输出的中频信号通过中频放大送至下一级的数据处理部分。数据处理部分的基本目标是消除不必要的信号（如杂波）和干扰信号，处理经中频放大的混频信号，从信号频谱中提取目标距离、速度等信息。任务5.3毫米波雷达结构与原理平面天线阵列雷达

车载雷达中比较常见的是平面天线阵列雷达，平面雷达没有旋转机械部件，从而能保证更小的体积和更低的成本。

任务5.3毫米波雷达结构与原理静止目标下的三角波调制雷达工作原理

三角波调制的调频连续波，即频率在时间上按照三角形规律变化电波传播过程中遇到目标发生反射，接收天线接收到回波信号在这段时间内发射机的频率相较回波频率已经发生变化将发射机直接耦合的信号与接收天线收到的目标回波通过接收机的混频器，输出差频信号，通过对差频信号的测量可以计算出目标的距离

任务5.3毫米波雷达结构与原理传统毫米波雷达只能实现距离、速度、方位等3个维度的探测。传统毫米波雷达的垂直分辨率低、点云稀疏，易漏检锥桶、静止车辆等静态目标。4D毫米波雷达增加了“高度”探测维度，能判断目标的高度信息，提升了点云质量和抗干扰能力。任务5.3毫米波雷达结构与原理4D毫米波雷达的组成与原理传统毫米波雷达的高频PCB通常仅在水平方向排列天线。4D毫米波雷达同时在水平方向和垂直方向排列天线，通过多级联MMIC芯片形成虚拟孔径阵列。任务5.3毫米波雷达结构与原理4D毫米波雷达的组成与原理微带天线阵列共28根天线发射天线TX12个接收天线RX16个通过MIMO技术增加虚拟孔径，形成192个虚拟通道4个芯片采用多片级联方式连接，每个芯片控制3TX/4RX天线中间为分功电阻，用于将本振功分信号功率进行均匀分配点云数量大幅提升，达到数百甚至上千点云量通常采用CANFD、以太网传输任务5.3毫米波雷达结构与原理4D毫米波雷达的组成与原理某型4D毫米波雷达的高频PCB1.毫米波雷达的装调首先需要找到雷达安装载体（三脚架或车辆，后同）纵向对称平面

任务5.4毫米波雷达的装调与测试1.毫米波雷达的装调通过角度尺和重锤等工具进行测量,调整水平角度和俯仰角度符合要求。在正前方放置角散射体，通过观察毫米波雷达的横向距离，调整横摆角。任务5.4毫米波雷达的装调与测试2.测试环境要求由于毫米波多径效应和目标体效应的影响，需要对毫米波雷达的测试环境做出一定场地设计要求，包括静态测试环境和路测环境两种。静态测试是指定毫米波雷达固定在指定位置，在测试台架上完成的测试，主要完成目标特性及雷达基本功能的检测任务，分为非干扰测试环境和干扰测试环境。静态测试环境的场地布置方案

任务5.4毫米波雷达的装调与测试非干扰测试环境要求目标背景干净，应选择空旷环境或微波暗室内进行根据毫米波雷达短距模式FOV±60°，最远距离70m，长距模式FOV±9°，最远作用距离250m的技术指标要求被测目标背景环境尽量干净，避免金属反射体、建筑体、行人等噪点进入测试环境安装台上雷达的地面绝对高度控制0.8-1m范围内。地面平整，无坡度，以砂石、水泥或低矮草地为主。静态测试环境的场地布置方案

2.测试环境要求任务5.4毫米波雷达的装调与测试路测环境是为了模拟动态测试和随机测试的车体运动状态下的雷达回波信息及算法健壮性和功能完善性的测试要求从用户实际使用的角度出发，通过实车路试的方式，在充分考虑各种测试场景的基础上完成的检测任务，记录测试信息。2.测试环境要求任务5.4毫米波雷达的装调与测试非干扰测试环境下，可用角散射体（RCS：1-30dB）模拟目标障碍物。黑色点位为测试目标点，测试指标包括：实测点X（m）、实测点Y（m）、实测RCS（dB）、X向偏移量（m）、Y向偏移量（m）。3.参数校准在进行毫米波雷达测试之前，首先确保雷达配置信息正确，符合测试要求。4.雷达性能测试测试一：正向最远探测距离（D_Max）测试环境：静态非干扰环境任务5.4毫米波雷达的装调与测试测试数据包含写入和不写入车线速度和角速度。调整毫米波雷达位置并校准配置数据；调整目标点位（非干扰静态测试）并记录实际值；测量毫米波雷达实测数据并记录。4.雷达性能测试测试一：正向最远探测距离（D_Max）测试环境：静态非干扰环境任务5.4毫米波雷达的装调与测试被测目标：角散射体（RCS为10dB，77GHz）测试步骤：非干扰测试环境下，可用角散射体（RCS：1-30dB）模拟目标障碍物，测试点位进行测试。主要测得目标中心点位置信息。4.雷达性能测试测试二：距离精度测量测试环境：静态非干扰环境距离精度测试点位布置

任务5.4毫米波雷达的装调与测试4.雷达性能测试测试三：目标雷达散射特性及位置中心精度测试测试环境：静态非干扰环境非干扰测试环境：普通轿车测试要求：雷达输出的RCS是目标特征的主要判断依据，目标可能会产生多个散射点和位置信息测量车体在偏转5°内的RCS变化值，即测试角度选用0°、±5°。测试时雷达需写入雷达线速度和角速度值，确保雷达的机测状态和路面使用状态一致。测量目标值包括：RCS、目标体长、目标实际中心点位、标测试中心点位置。距离精度测试点位布置

任务5.4毫米波雷达的装调与测试任务5.5毫米波雷达的标定与应用标定的本质：建立测量与真实物理世界的精确映射关系，消除制造、安装、环境带来的系统性误差，确保数据可信可用。内参标定：确保雷达测量基准准确。外参标定：雷达度坐标转换车辆坐标时空同步：“同一时刻、同一