FMCW調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)測量

FMCW調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)測量

Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) radar is a form of radar where the frequency of the transmitted signal is continuously varied at a known rate over a defined time period.

鋸齒形調(diào)制的 FMCW 雷達(dá)的基本原理：（a）發(fā)射和接收信號，（b）相應(yīng)的拍頻，以及（c）拍頻信號處理流程。

調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)

雷達(dá)系統(tǒng)測量從發(fā)射信號離開雷達(dá)、擊中反射目標(biāo)并返回雷達(dá)的飛行時間。

調(diào)頻連續(xù)波 (FMCW) 雷達(dá)是一種雷達(dá)形式，其中發(fā)射信號的頻率在定義的時間段內(nèi)以已知速率連續(xù)變化。雷達(dá)接收反射的頻率信號并進(jìn)行比較。發(fā)射信號和反射信號之間的差異與飛行時間成正比，因此飛行時間又與距離成正比。

FMCW 類雷達(dá)為自動駕駛汽車提供了更高水平的穩(wěn)健傳感。由于其高范圍分辨率和精度，Navtech 傳感器可生成極其豐富的數(shù)據(jù)集，這對于提高最惡劣條件下的安全性至關(guān)重要。

• 卓越的距離分辨率

• 同時測量目標(biāo)距離和速度

• 產(chǎn)生可靠的數(shù)據(jù)

• 低功耗

鋸齒波頻率調(diào)制

可以應(yīng)用各種形式的頻率調(diào)制。Navtech 傳感器使用的鋸齒調(diào)制通常用于 FMCW 雷達(dá)，其中需要距離信息來進(jìn)行物體檢測。

使用此技術(shù)時，距離信息與多普勒速度混合。 

可以在交替掃描時關(guān)閉調(diào)制，以使用未調(diào)制的載波頻移來識別速度。這樣一來，只需一組雷達(dá)即可確定距離和速度。

雷達(dá)與激光雷達(dá)

雷達(dá)波束不是像激光那樣的筆形波束，它具有 3D 輪廓。由于雷達(dá)會從每次距離測量中返回一個值，因此它能夠看穿嘈雜的物體，這是大多數(shù)飛行時間傳感器無法做到的。

通過將每個方位角分割成一系列徑向間隔的強(qiáng)度值，雷達(dá)提供了激光雷達(dá)所沒有的額外維度。正是這種功能使雷達(dá)能夠構(gòu)建自上而下的、類似照片的圖像，這是激光雷達(dá)單元在不實現(xiàn)多個通道的情況下無法做到的。

全天候運(yùn)行

Navtech 雷達(dá)傳感器與其他傳感器之間的另一個重要區(qū)別是其在惡劣天氣條件下工作的能力。

雷達(dá)信號的較長波長不受雨、霧、灰塵或污垢的影響，因此傳感器可用于所有場景，為雷達(dá)提供非常大的操作窗口。由于雷達(dá)沒有鏡頭，因此不需要清潔，這意味著沒有不必要的停機(jī)時間。

檢測因素

決定我們能看到物體的程度的主要因素是反射回接收器的功率大小。這取決于幾個因素，幸運(yùn)的是，有一個方程可以描述這些因素。

返回到接收天線的反射功率 Pr 由雷達(dá)方程給出。這將取決于發(fā)射功率、目標(biāo)范圍和目標(biāo)的反射特性（描述為雷達(dá)橫截面 σ）。我們知道雷達(dá)接收器的靈敏度，雷達(dá)方程為我們提供了理論最 大范圍 R。

什么是 FMCW 雷達(dá)？

調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)或 FMCW 雷達(dá)系統(tǒng)是一種特殊類型的雷達(dá)系統(tǒng)，可測量移動物體的距離和速度。這是通過調(diào)制信號在固定時間段內(nèi)以已知速率連續(xù)改變發(fā)射信號的頻率來實現(xiàn)的?？梢允褂枚喾N頻率調(diào)制技術(shù)，例如鋸齒波調(diào)制、三角波調(diào)制、正弦波調(diào)制、方波調(diào)制和步進(jìn)調(diào)制，其中鋸齒波和三角波調(diào)制最廣泛用于改變發(fā)射無線電波的頻率模式。

FMCW 雷達(dá)系統(tǒng)測量發(fā)射和接收的回波信號之間的頻率差（Δf，由于運(yùn)行時間）以計算距離，并且還測量多普勒頻率（由于多普勒效應(yīng)）以計算物體的速度。

在FMCW系統(tǒng)中，發(fā)射器天線發(fā)射調(diào)頻連續(xù)無線電波，來自目標(biāo)的反射信號被接收天線接收。接收天線的輸出通過前置放大器提供給接收器的混頻器級。在混頻器電路中，部分調(diào)頻發(fā)射信號與接收信號混合，產(chǎn)生新信號，該信號可用于確定移動物體的距離（R）和/或速度。新信號的頻率是發(fā)射信號和接收（反射）信號的頻率之差。

現(xiàn)在，來自混頻器輸出的信號通過低通濾波器，其中雜波信號（來自建筑物、山丘等靜止物體的不需要的回聲信號）被濾除。最后，信號經(jīng)過放大器、A/D轉(zhuǎn)換器，然后輸入計算機(jī)進(jìn)行處理，計算出物體的距離和速度

FMCW 雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)

• 毫米波 FMCW 雷達(dá)提供高分辨率距離測量（20-30 米范圍內(nèi)可輕松實現(xiàn) 2 厘米分辨率）

• 同時測量目標(biāo)距離和速度

• 與脈沖雷達(dá)系統(tǒng)相比，FMCW 可以快速更新測量（因為 FMCW 毫米波雷達(dá)連續(xù)傳輸信號）

• 在多種天氣和大氣條件下都能正常工作，例如大雨、潮濕、霧和灰塵條件。 

• 不受溫差或高溫的影響。

• 更好的電氣和輻射安全

• 與其他非無線電技術(shù)（例如可見光或紅外光譜或使用超聲波的技術(shù)）相比，FMCW 雷達(dá)由于信號傳播優(yōu)越而具有良好的覆蓋范圍。 

• 可以隱形安裝（雷達(dá)罩后面）

• 可滲透多種材料；因此，FMCW雷達(dá)可用于測量或檢測隱藏或覆蓋的目標(biāo)

• 比基于多普勒的系統(tǒng)更擅長檢測切向運(yùn)動。

FMCW 雷達(dá)的局限性

• 與脈沖雷達(dá)相比，范圍縮小 

• 比紅外和超聲波系統(tǒng)等競爭技術(shù)更昂貴

• 容易受到其他無線電電子設(shè)備的干擾，因為它們在某個頻段上連續(xù)傳輸無線電波。

移動物體的距離是如何計算的？

在FMCW技術(shù)中，由于發(fā)送信號和接收信號之間的運(yùn)行時間延遲，接收信號頻率與發(fā)送信號頻率相差Δf量。接收器電路的混頻器級通過將接收信號頻率與發(fā)射頻率混合來計算頻率差Δf。這種頻率差稱為“拍頻”。該頻率差 Δf 與距離 (R) 成正比，可用于根據(jù)以下公式計算距離。 

該頻率與距離 (R) 成正比，可用于根據(jù)以下公式計算距離。 

距離 (R) = (cx Δf) / Kf x 2 米

其中 R = 雷達(dá)系統(tǒng)與物體之間的距離。 

單位時間內(nèi)頻率變化或頻移的斜率（即掃描速率）Kf=BW/T。

BW = 掃頻帶寬；T = 頻率掃描時間。

C = 光速（無線電波的速度）。

運(yùn)動物體的速度是如何計算的？

FMCW雷達(dá)系統(tǒng)的接收系統(tǒng)不僅測量頻率差Δf（由于運(yùn)行時間）以計算距離，而且還測量多普勒頻率（由于多普勒效應(yīng)）以計算物體的速度。以下公式。

如果目標(biāo)以一定速度 Vo 與雷達(dá)連線成 θ 角移動，則 Vr = Vo cos(θ) 是徑向速度

這里，f t - 傳輸信號的頻率（以 Hz 為單位）

f r - 接收信號的頻率（以 Hz 為單位）

  f dop - 多普勒頻率（以 Hz 為單位）

C - 光速 = 3 x 108 m/s 

多普勒效應(yīng)告訴我們，相對于雷達(dá)系統(tǒng)的移動物體會改變雷達(dá)系統(tǒng)返回信號的頻率。多普勒頻率 f dop的表達(dá)式如下所示，它取決于發(fā)射信號頻率 (ft) 或波長 λ 以及物體的 徑向速度 (V r )。

如果移動物體正在接近雷達(dá)，則整個回波信號的頻率增加（即高度上升） f r + f dop，如果物體正在遠(yuǎn)離雷達(dá)，則整個回波信號的頻率降低（高度向下）由 fr - f dop。圖4中，回波信號高度的頻率如圖中綠色曲線所示。 

FMCW 雷達(dá)的應(yīng)用

FMCW 雷達(dá)具有高精度、重復(fù)性、可靠性以及在惡劣條件下非接觸式距離測量等特點(diǎn)，使其適用于無人機(jī)高度計、鋼廠高爐、交通運(yùn)輸應(yīng)用（包括汽車防撞雷達(dá)和航海雷達(dá)）、石油和液化天然氣油輪和儲罐，用于測量產(chǎn)品體積。這些雷達(dá)還用于成像和檢測、防入侵安全傳感器、人體生命體征檢測和測量以及用于驗證自動化系統(tǒng)中產(chǎn)品尺寸的工業(yè)應(yīng)用。