毫米波FMCW雷達(dá)測(cè)距、測(cè)速原理、應(yīng)用

MEMS/傳感技術(shù)

 毫米波 (millimeter wave )波長(zhǎng)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(zhǎng)范圍,因而兼有兩種波譜的特點(diǎn)。

 它具有以下主要特點(diǎn):

 ?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(guò)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(shí)只能使用四個(gè)主要窗口,但這四個(gè)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(wú)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(gè) 12cm的天線,在9.4GHz時(shí)波束寬度為18度,而94GHz時(shí)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?cè)谕ㄐ?、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(shí)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(shí)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(shí),需采用能順利穿透等離子體的毫米波實(shí)現(xiàn)通信和制導(dǎo)。高分辨率的毫米波輻射計(jì)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(cè)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(lái)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(shí)際上兩者的性能有很大的差異,優(yōu)缺點(diǎn)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(bǔ)的系統(tǒng)。下面分述各種應(yīng)用的進(jìn)展情況。毫米波雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是由于大氣吸收較大,當(dāng)需要大作用距離時(shí)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(shí)例。

 空間目標(biāo)識(shí)別雷達(dá):它們的特點(diǎn)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(jī)以保證作用距離。例如一部工作于35GHz的空間目標(biāo)識(shí)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(shí)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(shí),可以對(duì)14400km遠(yuǎn)處的目標(biāo)進(jìn)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(jī)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(jí)),同時(shí)要能測(cè)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(jī)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(jí),大大提高了距離分辨率。利用毫米波多普勒頗移大的特點(diǎn)得到精確的速度值。

 直升飛機(jī)防控雷達(dá): 現(xiàn)代直升飛機(jī)的空難事故中,飛機(jī)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(jī)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(zhǎng)雷達(dá),實(shí)際多用3mm雷達(dá)。

 精密跟蹤雷達(dá): 實(shí)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(shí)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(bǔ)取得較好的效果。例如美國(guó)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(jī)和一部35GHz、13kw的發(fā)射機(jī)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(lái)了一個(gè)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(dòng)防碰撞的工作原理

 汽車防碰撞系統(tǒng)對(duì)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(kāi)始,相繼出現(xiàn)過(guò)超聲波、激光、紅外、微波等多種方式的主動(dòng)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(guó)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(hù)措施,但這些技術(shù)均為被動(dòng)防護(hù),不能從根本上解決問(wèn)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(diǎn),“主動(dòng)汽車毫米波防碰撞雷達(dá)系統(tǒng)”成為近年來(lái)國(guó)際上研究與開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn),并已有產(chǎn)品開(kāi)始投入市場(chǎng),前景十分看好。

 主動(dòng)汽車防碰撞是以雷達(dá)測(cè)距、測(cè)速為基礎(chǔ)的。防撞雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛的前方,當(dāng)有危險(xiǎn)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(jī)發(fā)出報(bào)警,使司機(jī)及時(shí)作出反應(yīng),同時(shí)雷達(dá)輸出信號(hào)到達(dá)汽車控制系統(tǒng),根據(jù)情況進(jìn)行自動(dòng)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(duì)于脈沖雷達(dá)系統(tǒng),當(dāng)目標(biāo)距離很近時(shí),發(fā)射脈沖和接收脈沖之間的時(shí)間差非常小,這就要求系統(tǒng)采用高速信號(hào)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(jiǎn)單、成本較低、適合做近距離探測(cè)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(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)前端進(jìn)行了大量深入研究,并取得了長(zhǎng)足的進(jìn)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(guó)內(nèi)研制的射頻前端主要是波導(dǎo)結(jié)構(gòu)前端。一個(gè)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(hào)經(jīng)過(guò)中頻放大送至后級(jí)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(hào)(如雜波)和干擾信號(hào),并對(duì)經(jīng)過(guò)中頻放大的混頻信號(hào)進(jìn)行處理,從信號(hào)頻譜中提取目標(biāo)距離和速度等信息。

 毫米波FMCW雷達(dá)測(cè)距、測(cè)速原理

 雷達(dá)系統(tǒng)通過(guò)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(hào)。發(fā)射波的頻率隨時(shí)間按調(diào)制電壓的規(guī)律變化。一般調(diào)制信號(hào)為三角波信號(hào)。反射波與發(fā)射波的形狀相同,只是在時(shí)間上有一個(gè)延遲,發(fā)射信號(hào)與反射信號(hào)在某一時(shí)刻的頻率差即為混頻輸出的中頻信號(hào)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(hào)來(lái)自一個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo),則反射信號(hào)中包括一個(gè)由目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所引起的多譜勒頻移。根據(jù)多譜勒原理就可以計(jì)算出目標(biāo)距離和目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。

 已開(kāi)發(fā)的車用主動(dòng)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(kāi)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(gè)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(cè)距離為0.5m～250m。檢測(cè)角度范圍在30m遠(yuǎn)處為30度。

 博世表示通過(guò)采用SiGe技術(shù),可以比以往采用的MMIC技術(shù)降低成本。將來(lái)有望在車輛上配備兩個(gè)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(gè)毫米波雷達(dá),并公布了車輛試驗(yàn)結(jié)果——檢測(cè)角度范圍在30m遠(yuǎn)處擴(kuò)大到了60度。

 與只配備一個(gè)毫米波雷達(dá)相比,配備兩個(gè)毫米波雷達(dá)提高了急轉(zhuǎn)彎時(shí)的檢測(cè)精度,可以更加準(zhǔn)確地捕捉到前方車輛及路邊的護(hù)欄等。實(shí)車試驗(yàn)中,在曲率半徑為35m的道路上也可準(zhǔn)確地識(shí)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(lái)還可以增加各種功能,比如通過(guò)檢測(cè)路旁的護(hù)欄等來(lái)識(shí)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(kāi)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(cè)距離最長(zhǎng)達(dá)200m。

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

 毫米波雷達(dá)主要由天線、高頻電路及信號(hào)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(jìn)了高頻電路及信號(hào)處理部分,通過(guò)將MMIC芯片封裝在多層印刷線路板上,減小了體積,與原來(lái)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(shí),通過(guò)增加混載內(nèi)存的存儲(chǔ)容量,將全部處理均集中在了1個(gè)微處理器上。由于減少了微處理器,所以信號(hào)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(hào)處理部分的小型化做出了貢獻(xiàn)。

 電裝宣布開(kāi)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(hào)處理技術(shù),通過(guò)減少天線的接收信道數(shù),實(shí)現(xiàn)了天線和收發(fā)元件的小型化。通過(guò)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(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的小型化和低成本化。