毫米波雷达测速测距算法研究与实现

毫米波雷达测速测距算法研究与实现

李跃明

海军701工厂

摘要：毫米波雷达是一种新的测速技术，它的应用范围日益扩大。在自动驾驶方面，能够监测到车辆的盲区、改变车道、避免发生交通事故；在实际应用中，能够实现对飞行器的高度控制与碰撞；在安全方面，采用了一种能够对移动物体进行实时追踪的系统。毫米波雷达测速距离测量是一种非常有前途的方法。由于其广泛的使用，毫米波雷达的检测精度得到了极大的改善。并将其与国外同类产品进行对比，表明其测量精度高。

关键词：毫米波雷达；测速测距；算法；研究；实现

引言：ITS是一种大范围、全方位、实时、高效的交通综合管理系统，能够有效地发挥现有交通资源、保障交通安全、提高交通效率，已经成为21世纪交通发展的重要方向。在现有的各种技术中，最能提高数据传送速度的是雷达。美国的沃维特龙和加拿大的 RTMS是典型的两种类型。本论文对毫米波雷达的速度测量技术进行了深入的探讨。

1.对毫米波雷达的概述

毫米波雷达采用毫米波，一般在30至300千兆赫（1至10毫米）之间。毫米波是一种介于毫米波与光波之间的波段，它兼具了微波与光电技术的双重优势。相对于毫米波导的导引头，该导引头具有较小的体积、重量和较高的空间分辨率。毫米波导比红外、激光和电视等光学导航系统更能穿透，并且还能全天候（除了下雨）特点。此外，在抗干扰和防隐身等方面，毫米波导比其他类型具有更好的性能。

2.毫米波雷达的特点

首先，在同直线口径下，由于毫米波雷达波束的宽度较短（通常为毫弧），使雷达的角度分辨率和角度精度得到了提高，而且能够抵抗电子、杂波、多径反射等干扰。其次，它具有较高的工作频段、较宽的频段和较大的多普勒频段，这对提高测距、速度和分辨率以及对物体特性的分析都是有益的。最后，由于其口径小、体积小，适用于飞行器、卫星、导弹等。

3.毫米波雷达测速测距算法研究的意义

在测量速度方面，毫米波传感器是一种十分有效的方法。毫米波雷达在交通、安防、无人机、汽车雷达、智能照明等民用领域得到了广泛的应用。毫米波雷达可以检测到车辆的行驶速度，当有车辆驶过时，就会启动摄像机进行拍照；在安全方面，毫米波雷达可以对目标的各个敏感部位进行监控，配合雷达，利用后端的算法对目标的距离、速度、角度等进行实时跟踪；在智能照明方面，毫米波雷达具有“人来灯亮”、“人走灯灭”的功能，目前主要用于红外探测，但其局限性很大，温度、探测角度、探测距离等都十分局限，而毫米波雷达就可以取代它，特别是在路灯下，它的探测距离和角度都要大得多，而毫米波雷达就更不用说了。采用毫米波雷达测速测距技术，可以有效地解决无人机的高精度、防碰撞问题。近年来，随着农业信息化程度的不断提高，对无人机的需求量也越来越大，毫米波雷达定高能够在一定的距离内实现精确的定位和喷洒，从而极大地提高了作业效率，降低了人工费用；在汽车行业，随着无人驾驶技术的不断发展，毫米波雷达的应用也越来越广泛，现在的辅助系统主要有盲区监控、变道辅助、 LCA、防碰撞预警，这些系统可以监控车辆的后方和左右的路况，判断前方车辆的变道、判断前方车辆的速度和距离，并在第一时间刹车。所以，我国的测速测距技术发展很快，具有很好的应用前景。该方法在工程实践中有很大的实用价值。

4.国内外的研究情况

在整个系统的前端，毫米波雷达可以发射和接收毫米波。毫米波雷达采用脉冲、调制等多种形式，通过发射装置来实现。在接收机接收端接收到的波形后，通过混频器把接收和发送的数据合并成一个中间频率的信号，然后经过处理，获得速度和距离。毫米波雷达的波段可以分成若干个波段，其波段在1~100 mm （相应的频率范围为3~300 GHz），在大气中不会受到任何干扰，对尘埃、烟雾具有很好的穿透性，而且波长比分米波要短，天线的直径和大小都要大。ISM波段在此区间有2.4千兆赫、240千兆赫、245千兆赫。ISM频带是ITU-R所规定的一种工业、科研和医疗频带，它可以在不受任何限制的情况下，在该频带上不受其它频带的干扰。在低频方面，2.4GHz、WLAN、蓝牙、Zigbee、微波炉等都在用，而频率方面，122GHz、245GHz虽然带宽很广，但因为缺乏前端和测试设备，技术上还不够成熟，因此24GHz、60GHz是最好的选择。毫米波雷达在国外得到了广泛的应用，也出现了很多新技术。飞机上的雷达测高仪、车辆碰撞、导弹导航等。美国于一九九五年研制的一架直升机，配备35GHz毫米波雷达，能迅速搜寻地面及低空目标，并能将其归类。南非开发了一种用于5.56 mm弹道分析雷达的 LFM连续波；荷兰有一种叫做 GBSCOUT的FMCW雷达，它可以对人体以及任何大小的车辆进行探测，由于其小巧，可以装在一辆吉普车上，并且易于安装，而PAGE雷达和SQUIRE雷达则是更轻，拦截率更高，同时也大大提升了军事安全；加拿大已研制出Ka波段LFM连续波雷达，可用于军用目标的侦察和反合成孔径目标的探测。我国在雷达方面的研究起步较晚，受国外技术的制约，芯片的设计、制造工艺等因素的制约，使得毫米波雷达在2012年以前的生产工艺较为复杂，使用的元件都是零零碎碎的，国内的研究主要集中在大学、研究所，技术难度高，研发成本高，以军用为主，但也有一些公司和研究所，已经有了一些成果。湖南华诺星空在2009年成功地应用了毫米波雷达、生命探测器和穿墙雷达；沈阳自动化研究所采用毫米波雷达技术，研制了车辆状态监测、工业测距、碰撞防撞雷达、安全区监控雷达、车载碰撞监控系统、平交桥智能监控系统等。2012年，随着中国市场上出现了一批国外雷达集成芯片，毫米波雷达技术门槛、制造成本大幅度下降，国内厂商纷纷将目光转向毫米波雷达，而民用雷达也逐渐成型，24 G毫米波雷达才是主流，77G还在研发之中。至于芯片的开发，虽然要求很高，但也有一些科研单位取得了一些成绩。厦门意星打破了国外MMIC技术和制造技术的垄断，并在24GHz以上MMIC方面获得了自主知识产权，填补了国内市场的空白。到2015年，由于技术条件的制约，77GHz技术只对国内的民用和学术界开放，发展的很慢。东南大学毫米波国家重点实验室目前已经开发了8mm波段的 VCO、混频器、倍频器、开关、放大器等单片收发前端。24G的毫米波集成芯片，以及77G的技术，都在不断的改进，相信突破国外的技术封锁，只是时间问题。目前的主流市场，已经被外资企业占领了。

5.毫米波雷达的测速原理

通过对移动目标和空间电磁波的多普勒作用，实现了毫米波测速雷达的探测。也就是说，当雷达发出的电磁波f0与移动物体相接触时，其频率是f0±fd, fd是多普勒频率，fd=[2vr/(c+ vr)]f0,fd=[2vr/(c+vr)]f0。由于雷达在恶劣的工作条件（如枪、炮的冲击振动、火焰电离）、多普勒“背景”的复杂性，使其信噪比大为降低，常规的时间处理技术难以探测和识别多普勒信号，从而影响了光谱的准确性。而频域频谱分析则能有效地选取取样频率、适当的窗口，从而达到提高探测准确度和可靠性的目的。

结束语

ADAS目前的主流应用领域为高端，但由于中、低端市场的需求日益增长，许多汽车制造商纷纷对ADAS进行了试验。通过对毫米波雷达场景测距实验，结果表明，毫米波雷达在测量性能、准确率、毫米波雷达的市场等方面都有较大提高。此外，毫米波雷达将被更多地用于无人机。目前，我国已经成功地将毫米波测速雷达用于测量，该雷达的准确率达到0.1%，与国外582型伟伯尔雷达和丹麦的一种伟伯尔雷达相比，取得了良好的效果。

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