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视力+智力打通毫米波雷达“任督二脉”

导读: 毫米波雷达目前最大的“缺陷”就是“视力”不足,无法辨识行人和对周围障碍物进行精准的建模,而“视觉”是实现高级自动驾驶最重要的环境感知。所以,为了帮毫米波雷达实现“视觉”功能,现在主流的做法是采用取长补短的方式,将毫米波雷达与其他“视觉”传感器技术融合。

在上一篇《浅谈毫米波雷达系统和发展趋势》文中,麦姆斯咨询认为毫米波雷达技术的发展趋势是朝着体积更小、功耗更低、集成度更高和多传感器融合方向发展。毫米波雷达目前最大的“缺陷”就是“视力”不足,无法辨识行人和对周围障碍物进行精准的建模,而“视觉”是实现高级自动驾驶最重要的环境感知。所以,为了帮毫米波雷达实现“视觉”功能,现在主流的做法是采用取长补短的方式,将毫米波雷达与其他“视觉”传感器(摄像头或激光雷达)技术融合。不过无论是摄像头,还是激光雷达都容易受光线或恶劣天气影响,性能会降低甚至失效,这种“视力”是有条件限制的。于是,很多新兴企业在探索创新的毫米波雷达成像技术,意图让雷达自己“开眼”。

要想雷达成像,最核心的方向是提高雷达的分辨率。传统的提高雷达分辨率方法中,增加带宽是一种方式,当前77GHz(频段76~77GHz)带宽在1GHz,而79GHz(频段76~81GHz)带宽可高达5GHz,显然79GHz在分辨率上会更胜一筹而成为未来雷达成像主要的选择。当然带宽有固定限制,还有一种方法就是扩展天线的尺寸或者增加天线的数量。在车载毫米波雷达领域,囿于主机厂对毫米波雷达整体尺寸的车规级限制,这里的发挥空间并不大。所以,需要突破常规另辟蹊径,目前比较热门的方法有:合成孔径雷达(SAR)、多输入多输出技术(MIMO)、超材料天线技术等。目前,部分技术已经取得了突破性的进展,智能雷达的图像分辨率已经迫近现有光学分辨率。下面我们概述这些雷达成像技术。

合成孔径雷达(SAR)

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,简称SAR),是一种利用合成孔径技术及脉冲压缩等信号处理技术来实现高分辨率成像的雷达。SAR利用雷达与目标的相对运动,把尺寸较小的真实天线孔径用数据处理的方法合成一个较大的等效天线孔径,故称“合成孔径”雷达。SAR具有体积小、全天时、全天候、高分辨、大幅宽等多种特点。最初主要是机载、星载平台,随着技术的发展,出现了弹载、地基、无人机、临近空间平台、手持式设备、车载等多种形式平台搭载的SAR,广泛用于军事和民用领域。

高分辨率在这里包含着两方面的含义:即高的方位向分辨率和足够高的距离向分辨率。它采用多普勒频移理论和雷达相干理论为基础的合成孔径技术来提高雷达的方位向分辨率;而距离向分辨率的提高则通过脉冲压缩技术来实现。其基本原理如下(图1):

视力+智力打通毫米波雷达“任督二脉”

图1 SAR基本原理

(1)合成孔径技术实现方位向高分辨率

SAR利用机载平台带动天线运动,如图2,在不同位置上以脉冲重复频率(PRF)发射和接收信号,并把一系列回波信号存储记录下来,然后作相干处理,就如同在所经过的一系列位置上,都有一个天线单元在同时发射和接收信号一样,这样就在平台所经过的路程上形成一个大尺寸的阵列天线,从而获得很窄的波束。如果脉冲重复频率达到一定程度(足够高),以致相邻的天线单元间首尾相接,则可看作形成了连续孔径天线。诚然这个大孔径天线要靠信号处理的方法合成。这也是“合成孔径”名字的原由。

视力+智力打通毫米波雷达“任督二脉”

图2 SAR示意图

根据SAR方位向分辨率的公式(见图1公式4),我们可以得知SAR的分辨率与波长和目标与天线的距离无关,而只与雷达的实际孔径尺寸有关,而且天线尺寸越小,方位向分辨率越高,这与普通雷达的方位分辨率恰恰相反,从而大大的减小了雷达的体积,对频率特定和空间有限的车载平台而言是再合适不过了。

(2)脉冲压缩技术实现距离向高分辨率

雷达距离向分辨率由雷达的带宽决定(见图1公式3),要想提高雷达的距离分辨率,则可减小脉宽或加大宽带,但如果脉宽太小则平均功率太小,雷达的作用距离会受到很大的限制,所以我们希望雷达波形既具有较大的带宽,又具有较长的持续时间。如果在一个带宽信号的各频谱分量上附加一个随频率作非线性变化的相位值,此宽带信号将具有很长的持续时间,以满足前述要求。这种附加的非线性相位的过程称为信号的展宽过程,将展宽后的信号通过匹配滤波器,校正非线性相位使之同相,在匹配滤波器输出端将得到窄脉冲型号,这个过程称为脉冲压缩。最早加以研究并获得使用的脉冲压缩信号就是线性调频信号,线性调频信号具有平方律的相位频率关系,经过匹配滤波器的压缩,可以输出窄脉冲。总之,采用脉冲压缩波形,相对于原来的宽脉冲而言,由于通过匹配滤波器的压缩,大大的改善了雷达的距离分辨率。

多输入多输技术(MIMO)

多输入多输出技术(Multiple-Input Multiple-Output,简称MIMO),是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线,使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收,在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下,可以成倍的提高系统信道容量。

与SAR思想不同,MIMO雷达是利用多发多收的天线结构等效形成虚拟的大孔径阵列,以获得方位向的高分辨力。而这种虚拟阵的形成是实时的,能够避免传统的SAR成像中存在的运动补偿问题。故MIMO雷达在成像应用上有其独特的优势。

视力+智力打通毫米波雷达“任督二脉”

图3 MIMO示意图

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