模塊三毫米波雷達的原理、安裝與標定

智能網聯(lián)汽車傳感器技術模塊三

毫米波雷達的原理、安裝與標定模塊五視覺傳感器的原理、安裝與標定模塊六定位與慣性導航傳感器原理、安裝與標定模塊二

超聲波雷達的原理、安裝與標定模塊一

智能網聯(lián)汽車傳感器概述模塊四激光雷達的原理、安裝與標定學習目標

知識目標

1.了解毫米波雷達工作原理。

2.掌握毫米波雷達的特性、參數特點。

技能目標

1.掌握毫米波雷達的安裝和調試技能。

2.掌握毫米波雷達探測障礙物的技術特點。建議課時

8課時模塊三毫米波雷達的原理、安裝與標定

一、毫米波的特性

毫米波雷達通過發(fā)射和接收波長為1～10mm的電磁波來精準測量車輛與車輛之間的距離、角度和相對速度。毫米波雷達頻率范圍為30～300GHz，高于射頻，低于可見光和紅外線。毫米波雷達體積小、質量輕和空間分辨率高，能夠全天候、全天時工作，能同時識別多個小目標，可以穿透霧、煙、灰塵，廣泛應用于自動駕駛汽車車間距離探測，但易受干擾。毫米波雷達實物如圖3-1、圖3-2所示。模塊三毫米波雷達的原理、安裝與標定圖3-1毫米波雷達（1）

圖3-2毫米波雷達（2）

1.毫米波雷達優(yōu)點

（1）探測距離遠。毫米波雷達探測距離遠，最遠可達250m。

（2）探測性能優(yōu)異。毫米波波長較短，并且汽車在行駛中的前方目標一般都是金屬構成，這會形成很強的電磁反射，其探測不受顏色與溫度的影響。

（3）快速的響應速度。毫米波的傳播速度與光速一樣，并且其調制簡單，配合高速信號處理系統(tǒng)，可以快速地測量出目標的角度、距離、速度等信息。

（4）對環(huán)境適應性強。毫米波具有很強的穿透能力，在雨、雪、大霧等惡劣天氣依然可以正常工作，由于其天線屬于微波天線，相比于光波天線，它在大雨及輕微上霜的情況下依然可以正常工作。

（5）抗干擾能力強。毫米波雷達一般工作在高頻段，而周圍的噪聲和干擾處于中低頻區(qū)，基本上不會影響毫米波雷達的正常運行，因此，毫米波雷達具有抗低頻干擾特性。

2.毫米波雷達最主要的缺點

（1）毫米波在空氣中傳播時會受到空氣中氧分子和水蒸氣的影響，這些氣體的諧振會對毫米波頻率產生選擇性吸收和散射，大氣傳播衰減嚴重，因此，實際應用中，應找到毫米波在大氣中傳播時，由氣體分子諧振吸收所致衰減為極小值的頻率。

（2）毫米波雷達覆蓋區(qū)域呈扇形，有盲點區(qū)域；無法識別道路標線、交通標志和交通信號燈。模塊三毫米波雷達的原理、安裝與標定

二、毫米波雷達的工作原理

車載毫米波雷達通過天線向外發(fā)射毫米波，再接收目標反射信號，根據接收的時間差測得目標的位置數據和相對距離。經處理后快速準確地獲取汽車車身周圍的物理環(huán)境信息（如汽車與其他物體之間的相對距離、相對速度、角度、運動方向等），然后根據所探知的物體信息進行目標追蹤和識別分類，進而結合車身動態(tài)信息進行數據融合，最終通過中央處理單元（ECU）進行智能處理。經合理決策后，以聲、光及觸覺等多種方式告知或警告駕駛員，或及時對汽車做出主動干預，從而保證駕駛過程的安全性和舒適性，減少事故發(fā)生概率。毫米波雷達系統(tǒng)工作原理框圖如圖3-3所示。模塊三毫米波雷達的原理、安裝與標定圖3-3毫米波雷達系統(tǒng)工作原理資料來源：互聯(lián)網資料整理、中國中投證券研究總部

車載毫米波雷達根據測量原理的不同，一般分為脈沖波方式和調頻連續(xù)波方式兩種。

（一）毫米波雷達脈沖波方式測量原理

多普勒效應，是指當聲音、光和無線電波等振動源與觀測者以相對速度v運動時，觀測者所收到的振動頻率與振動源所發(fā)出的頻率不同的現象。當目標向雷達天線靠近時，反射信號頻率將高于發(fā)射信號頻率；反之，當目標遠離天線時，反射信號頻率將低于發(fā)射頻率。

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1.多普勒測距原理

多普勒測距原理如圖3-4所示。雷達的振蕩器產生一個頻率隨時間逐漸增加的電磁波，這個電磁波遇到障礙物后會反射并被接收，障礙物越遠，回波收到的時間就越晚，即時延td就越大。由于

其中，R是振蕩器與障礙物的距離，c是電磁波傳播速度（在真空傳播時等于光速）。通過時延td就可以計算出雷達與障礙物的距離R。

雷達分辨率是指雷達可以區(qū)分的兩個物體的最近的距離，用光速/（雷達帶寬×2）來計算。模塊三毫米波雷達的原理、安裝與標定圖3-4多普勒測距原理

2.多普勒測速原理

多普勒頻移原理：多普勒效應所造成的頻率變化稱為多普勒頻移fb，它與相對速度v成正比，與振動的頻率成反比，通過檢測這個頻率差fb，可以測得目標相對于雷達的移動速度。假設毫米波雷達發(fā)射連續(xù)電磁波信號：s（t）=Acos（ω0t+φ0）

（3-1）式中：ω0——初相；A——振幅。

雷達接收到由目標反射的回波信號：sr（t）=ks（t-tr）=kAcos［ω0（t-tr）+φ0］

（3-2）式中：tr——回波滯后于發(fā)射信號的時間（tr=2R/c），其中R為目標和毫米波雷達之間的距離，c為電磁波傳播速度，在真空傳播時它等于光速；k——回波的衰減系數。模塊三毫米波雷達的原理、安裝與標定

如果車輛前方目標相對靜止（即相對速度為零），則目標與雷達的距離R為常數。此時，回波與發(fā)射信號之間有固定相位差：

它是電磁波往返于雷達與目標之間所產生的相位滯后。當目標與毫米波雷達之間有相對運動時，兩者之間的距離R與時間成正比。

設目標相對毫米波雷達運動的速度為一定值vr，在t時刻，目標與毫米波雷達之間的距離R（t）=R-vrt（3-4）式中：R（0）為目標與毫米波雷達在零點時刻的距離。

由式（3-2）可知，在t時刻接收到的波形sr（t）上的某點，對應于（t-tr）時刻發(fā)射的波形上某點。

在實際的工作狀態(tài)中，毫米波雷達和目標間為相對運動速度vr遠小于光速，所以時延tr可近似表示為：模塊三毫米波雷達的原理、安裝與標定

與發(fā)射信號相比，兩者之間的相位差為：

相位差隨時間線性變化，如果vr為常數，則頻率差可以表示為：式中：fb——多普勒頻移。

fb與目標和毫米波雷達之間的相對運動速度成正比例關系，與毫米波雷達的工作波長λ成反比例關系。當目標靠近毫米波雷達時，fb大于0，表明接收信號頻率要大于發(fā)射信號頻率；而當目標背離毫米波雷達運動時，fb小于0，表明接收信號頻率要小于發(fā)射信號頻率。通過數字信號處理器，運用傅里葉變換可求得fb，從而可以求得毫米波雷達與目標之間的相對速度和相對距離。模塊三毫米波雷達的原理、安裝與標定

3.多普勒測角度原理

毫米波雷達測量障礙物的角度是通過處理多個接收天線收到的信號時延來實現的。多普勒測角度原理如圖3-5所示，振蕩器TX發(fā)出的發(fā)射波頻率為fo，遇到“目標”返回，回波頻移為fb并分別被兩個接收線RX1、RX2收到。由于回波的路徑不同，RX1、RX2的回波信號有時間差，根據時間差可計算出角度。模塊三毫米波雷達的原理、安裝與標定圖3-5毫米波雷達測量目標方位角

采用脈沖方式的毫米波雷達需在很短的時間（一般都是微秒的數量級）內發(fā)射大功率的信號脈沖，通過脈沖信號控制雷達發(fā)射裝置發(fā)射出高頻信號，因此，在硬件結構上比較復雜，成本高。脈沖方式測量原理簡單，但由于受技術、元器件等方面的影響，實際應用中很難實現。

除此之外，在高速公路上行駛的車輛，其回波信號難免會受到周圍樹木、建筑物的影響，使回波信號衰減，從而降低接收系統(tǒng)的靈敏度。

如果毫米波雷達收發(fā)信號采用的是同一個天線，在對回波信號放大處理之前，應將發(fā)射信號與回波信號進行嚴格隔離，否則，由于發(fā)射信號竄入，會導致回波信號放大器飽和或者損壞。為了避免發(fā)射信號竄入接收信號，需進行隔離技術處理，一般有兩種方式避免發(fā)射信號的竄入：①采用環(huán)形器；②使用收發(fā)采用不同的天線。這樣就導致產品成本提高、硬件結構復雜。因此，在車用領域，脈沖波測量方式運用較少。模塊三毫米波雷達的原理、安裝與標定

（二）毫米波雷達調頻連續(xù)波方式測量原理

目前，大多數車載毫米波雷達都采用調頻連續(xù)波方式，其測量原理如圖3-6所示。模塊三毫米波雷達的原理、安裝與標定圖3-6毫米波雷達測量原理

采用調頻連續(xù)波方式的毫米波雷達結構簡單，體積小，可以同時得到目標的相對距離和相對速度。它的基本原理是當發(fā)射的連續(xù)調頻信號遇到前方目標時，會產生與發(fā)射信號有一定延時的回波，再通過雷達的混頻器進行混頻處理，而混頻后的結果與目標的相對距離和相對速度有關。毫米波雷達測距和測速的計算公式為：式中：s——相對距離；c——光速；t——信號發(fā)射周期；f′——發(fā)射信號與信號的頻率差；Δf——調頻帶寬；fd——多普勒頻率；f0——發(fā)射信號的中心頻率；u——相對速度。模塊三毫米波雷達的原理、安裝與標定

（三）77GHz毫米波雷達

77GHz毫米波相較于24GHz毫米波的波長更短，只有3.9mm。頻率越高，波長越短，分辨率、精準度就越高。因此，精度更高的77GHz毫米波雷達正努力成為汽車領域主流傳感器。以自適應巡航控制（ACC）為例，當車速大于25km/h時，ACC才會起作用，而當車速降低到25km/h以下時，就需要進行人工控制。當將所用雷達升級到77GHz毫米波雷達后，與24GHz毫米波雷達系統(tǒng)相比，識別率提高了3倍，速度和實測值、距離精度提高3～5倍，對前車距離的監(jiān)測更為準確、快速，如圖3-7所示。模塊三毫米波雷達的原理、安裝與標定圖3-777GHz毫米波雷達ARS404biao標準探測區(qū)域示意圖

如圖3-8a）所示，L3級自動駕駛樣車車身周圍布置了2枚長距毫米波雷達和4枚中距毫米波雷達，可實現車身360°環(huán)境感知范圍覆蓋。毫米波雷達系統(tǒng)整車布置方案及探測范圍如圖3-8所示。模塊三毫米波雷達的原理、安裝與標定圖3-8毫米波雷達應用

毫米波雷達通過CAN信號與自動駕駛控制器進行交互（圖3-9），將其感知結果輸入下一級規(guī)劃控制模塊，其輸出參數見表3-1、表3-2。模塊三毫米波雷達的原理、安裝與標定圖3-9毫米波雷達網絡架構示意圖

模塊三毫米波雷達的原理、安裝與標定

模塊三毫米波雷達的原理、安裝與標定

由表3-1和表3-2可知，相對其他傳感器（如視覺傳感器、激光雷達傳感器），毫米波雷達具有速度精度較高、角分辨率相對較低等特點。由于中距雷達、長距雷達的短距模式角度覆蓋范圍相對更大，其角分辨率得以進一步下降。

目前，各大國的車載雷達主要集中在24GHz、60GHz和77GHz這3個頻段。其中，24GHz的波長是1.25cm，60GHz的波長是5mm，77GHz的波長則更短，只有3.9mm。24GHz很特別，它嚴格來講不是毫米波，因為它的波長在1cm左右，但是它是最早被利用的（目前業(yè)界也依然將其稱為毫米波）?，F在各個國家把24GHz劃出來可以民用，77GHz劃分給了汽車防撞雷達，24Ghz也在汽車里最早得到應用。模塊三毫米波雷達的原理、安裝與標定

三、毫米波雷達安裝與標定

（一）毫米波雷達的安裝

1.安裝位置與功能

毫米波雷達安裝位置主要有車輛的前方、后方和側方。具體如圖3-10所示。

①主要用于前向自動緊急制動系統(tǒng)（AEB）；

②③主要用于十字交叉路口碰撞預警；

④⑤主要用于兩側縱向碰撞預警/盲區(qū)監(jiān)測/會車過程監(jiān)控；

⑥主要用于后向AEB；

⑦⑧主要用于側后向盲區(qū)監(jiān)控/并線輔助。模塊三毫米波雷達的原理、安裝與標定圖3-10毫米波雷達安裝位置

2.毫米波雷達安裝要求

正向毫米波雷達一般布置在車輛中軸線，外露或隱藏在保險杠內部。雷達波束的中心平面要求與路面基本平行，考慮雷達系統(tǒng)誤差、結構安裝誤差、車輛載荷變化后，需保證與路面夾角的最大偏差不超過5°。

另外，在某些特殊情況下，正向毫米波雷達無法布置在車輛中軸線上時，允許正Y向最大偏置距離為300mm，偏置距離過大會影響雷達的有效探測范圍。

側向毫米波雷達在車輛四角呈左右對稱布置，前側向毫米波雷達與車輛行駛方向呈45°夾角，后側向毫米波雷達與車輛行駛方向呈30°夾角，雷達波束的中心平面與路面基本平行，角度最大偏差仍需控制在5°以內。

模塊三毫米波雷達的原理、安裝與標定

毫米波雷達在Z方向探測角度一般只有±5°，雷達安裝高度太高會導致下盲區(qū)增大，太低又會導致雷達波束射向地面，地面反射帶來雜波干擾，影響雷達的判斷。因此，毫米波雷達的布置高度（即地面到雷達模塊中心點的距離），一般建議在500（滿載狀態(tài)）～800mm（空載狀態(tài)）之間，如圖3-11所示。模塊三毫米波雷達的原理、安裝與標定圖3-11毫米波雷達安裝高度（尺寸單位：mm）

毫米波雷達的角度公差容許值如圖3-12所示。

毫米波雷達在安裝時，車輛應保持水平，避免傾斜，如圖3-13所示，再使用角度尺等工具確保毫米波雷達的水平角、俯仰角、橫擺角均應小于0.5°。模塊三毫米波雷達的原理、安裝與標定圖3-12毫米波雷達安裝角度

圖3-13毫米波雷達在車輛的安裝位置

（1）毫米波雷達安裝原則（外置安裝）：

①安裝時盡量遠離車身內的信號天線；

②安裝時遠離大的用電設備頻繁啟動的位置；

③天線面朝外（正方向），接插件口沖著駕駛員；

④毫米波雷達安裝不支持熱插拔，如果系統(tǒng)內部檢測發(fā)現錯誤，可能會導致雷達功能不正常，甚至導致雷達重啟；

⑤確保不會造成固定位置的變形，擰緊力矩不能超過7N·m；

⑥禁止在雷達天線面打膠。

（2）毫米波雷達安裝原則（內置安裝）：

①第二發(fā)射面尺寸大于雷達發(fā)射角度；

②保險杠材料必須是電解質傳導系數很小的材料，減小對雷達波束的扭曲和衰減，不能有金屬或金屬材料涂層；

③選擇曲面光滑的區(qū)域，避開拐角或厚度變化的區(qū)域；

④保險杠厚度是毫米波雷達波長一半的整數倍。模塊三毫米波雷達的原理、安裝與標定

（二）毫米波雷達調試

（1）給如圖3-14所示的實驗設備連接上電源。

（2）將實驗設備的兩個數據端口連接在一臺具有“毫米波雷達軌跡”探測軟件的電腦上，然后鼠標移到電腦左下方的“開始”，右鍵點擊，選擇“設備管理器”，如圖3-15所示。模塊三毫米波雷達的原理、安裝與標定圖3-14毫米波實驗設備

圖3-15“設備管理器”界面

（3）進入“設備管理器”的操作欄后，找到“端口”，將其點開查看兩個端口的名稱，如圖3-16所示，然后就可以開始使用探測軟件探測物體的運動軌跡。

（4）“毫米波雷達軌跡”探測軟件使用方法：

①進入文件，選擇“peopleDetection”，如圖3-17所示。它是人體測量的意思。模塊三毫米波雷達的原理、安裝與標定圖3-16查看“端口”

圖3-17選擇人體測量“peopleDetection”

②雙擊進去后，彈出如圖3-18所示界面。

③人體測量界面左側下方的數據需要進行修改：根據之前看到的端口名稱進行“串口”選擇，在這里將“配置串口”選擇“COM3”，“數據串口”選擇“COM4”，如圖3-19所示。模塊三毫米波雷達的原理、安裝與標定圖3-18人體測量界面

圖3-19修改串口

④選擇完后，點擊旁邊的“打開串口”，就可以開始觀察人體軌跡了，如圖3-20所示。觀察該界面的右側窗口，了解該窗口能觀察到的數據。

該窗口顯示的雷達探測地區(qū)是一個呈扇形的區(qū)域，窗口的橫軸跟縱軸都是運動物體到雷達的距離，相當于一個定位坐標。從圖3-20中可以知道，該雷達能探測到的最遠距離是8m。

模塊三毫米波雷達的原理、安裝與標定圖3-20觀察人體軌跡（單位：m）