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系统与设计
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汽车雷达:雷达能看多远?

两个设计参数对于扩展雷达MMIC收发器的工作范围是至关重要的。

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在本博客之前关于汽车雷达的文章中,使用雷达的原因而且调频连续波雷达的工作原理提出了。现在,我们将关注系统的性能,从它的最大探测范围开始:我们可以探测到前方的障碍物多远?我们需要有尽可能多的预见性,以便能够发现障碍并采取所需的行动(图1)。而雷达MMIC收发器的参数是什么,可以优化,以扩大这一范围?

当然,根据应用程序的不同,对范围的期望也会有所不同。例如,远程雷达(LRR)不需要高分辨率或宽视场,但目标是实现尽可能大的范围,以增加反应时间,避免高速行驶时发生事故。另一方面,近程雷达(SRR)不需要看得很远,更喜欢有一个更高的分辨率和视野。然而,即使是在这种配置下,在复杂的驾驶环境(如城市或拥挤的停车场)中,每增加一厘米的距离都有助于防止事故发生。

图1:雷达探测距离。

雷达探测距离和雷达距离方程

影响雷达探测距离的因素很多,这是设计人员无法控制的。因此,在第一步中,我们需要使用与电磁波传播和模拟前沿相关的基本信息。

雷达范围R通过其链路预算直接与雷达MMIC收发器的射频性能联系在一起,在这种情况下称为雷达距离方程,它提供了传递到射频接收机前端的功率Pr作为发射机前端输出功率(Pt)、发射天线和接收天线的增益(Gtx而且G处方)、工作频率(通过波长λ)和目标的雷达横截面(σ):

这个词λ4/ (4πR4表示双向自由空间损失,(4πσ) /λ2解释了对目标的反射。链路预算和对雷达方程的不同贡献如图2所示。

图2:雷达系统链路预算示意图。

在其系统参考文件ETSI TR 103 593 V1.1.1(2020-05)“传输特性;针对77 GHz至81 GHz频率范围内地面车辆应用的无线电测定设备的技术特性,欧洲电信标准协会(ETSI)提供了一组不同雷达工作模式下天线增益的假定值(见表1)和接收链的最小探测功率(-110dBm)。还列出了典型目标的参考雷达截面值(表2)。

表1:根据ETSI TR 103 593 V1.1.1(2020-05)对雷达传感器天线增益的假设(Gtx=Grx假设)。

表2:根据ETSI TR 103 593 V1.1.1(2020-05),典型目标的雷达截面值。

这些值可以作为评估和比较不同雷达系统理论性能的基线。

雷达MMIC

如今,这些收发器是硅rfic(射频集成电路),它不仅允许在单个芯片上集成多种功能,而且还具有多个发射和接收通道,这是汽车雷达所需要的。过渡到CMOS(互补金属氧化物半导体)将降低雷达mmic的成本和功耗。CMOS还不受温度变化的影响,这是恶劣的汽车环境所需要的特性。图3给出了收发器MMIC的框图示例。

图3:多路雷达MMIC收发器简化框图。

雷达MMIC收发器中模拟射频发射和接收的性能将极大地影响雷达系统的整体性能。在距离限制的情况下,需要考虑两个主要参数:发射机的输出功率和接收机的噪声系数。

发射功率

MMIC每条传输链所提供的功率将是雷达性能的关键。为此,我们必须考虑射频功率放大器的输出功率。基于此参数,并考虑上述雷达方程,在给定接收机灵敏度(Prmin)可计算为:

这个方程表明,增加发射功率Pt会自动扩大雷达的探测范围。例如,在远程雷达(LRR)中,输出功率增加1dB将使我们探测到一辆自行车的距离增加2.8米,摩托车的距离增加6米,典型汽车的距离增加11米,如图4所示。在高速公路上高速行驶时,这可能意味着是及时刹车还是撞上意外的交通障碍。

图4:LRR的检测距离与RF输出功率。

但增加输出功率的好处也可以在短程应用中看到。对于超近距离雷达(USRR),发射功率增加1 dB就意味着增益35 - 50厘米,或者探测到一个小孩、行人或自行车,如图5所示。这对于在拥挤的城市环境中驾驶尤其重要,以避免极易受伤的受害者发生事故。

图5:USRR的检测距离与RF输出功率。

当然,这些计算并没有考虑实际情况下的额外损失(如降雨、多径传播等),所有这些因素都会使雷达探测距离相对于理想情况缩小。例如,雷达模块通常放置在汽车标志或保险杠后面。保险杠筋膜将引入2至8分贝的损失,取决于他们的组成和油漆。这意味着在检测范围内损失11%至37%。提供尽可能多的输出有助于抵消这个问题。因此,优化射频发射链的性能,特别是功率放大器的最后一级,是至关重要的。

噪声图

除了检测阈值外,系统还需要一个最小信噪比(SNR)来执行雷达处理。雷达接收机的信噪比是接收功率与接收功率的比值Pr还有噪声功率N.它可以由考虑环境温度的雷达方程推导出来T以及信号持续时间T

在哪里k波尔兹曼常数和F噪声系数(以分贝为单位,为噪声系数NF),以计算来自接收器的噪音。

给定一定的检测阈值信噪比最小值的最大理论可达范围可确定为:

该方程表明,通过降低噪声因子F(相反,降低噪声系数NF),雷达探测距离将会增加。让我们假设系统要求信噪比阈值为20dB,让我们考虑与上面相同的例子。

在LRR的情况下,如图6所示,降低1dB的噪声将增加4米(自行车),10米(摩托车)和13米(汽车)的范围。

图6:LRR的检测距离与噪声图。

这种范围的增加在短范围内也很显著,通过降低1dB的噪声值,可以为检测最脆弱的交通参与者(儿童和成年行人和自行车)赢得50cm到1m的距离,如图7所示。

图7:USRR的检测距离与噪声图。

因此,接收机链的噪声系数也是雷达MMIC收发机设计的一个关键参数。由于噪声的主要贡献者是模拟接收链中的第一个放大器(图8),雷达MMIC收发器中的lna应精心设计和优化,以达到低噪声数字。

图8:射频接收链的简化图。

设计的权衡

鉴于这些结果,如果我们想通过优化雷达MMIC收发器的射频性能来扩展雷达系统的范围,有两个关键的设计参数,即输出功率和噪声系数。其中任何一个性能越好,检测范围就越大。但是应该选择哪一个进行优化呢?

具有更高的输出功率将有助于弥补实际环境造成的额外损失。此外,它将提供更好的保护免受干扰。另一方面,MMIC会有更高的功耗和功耗。这一问题将随着更多发射信道的集成而增加。

如果功耗很关键,调整噪声值可能是更好的选择。这是一种高效节能的mmic解决方案。然而,低噪声需要更高的RX增益,这反过来又会影响接收机的线性度。此外,对干扰的保护可能更少,因为不需要的信号将沿着所需的信号被放大。

理想情况下,考虑到所选半导体技术和整体系统设计的局限性,两者都应尽可能地进行调优。

结论

在这一条目中,雷达距离探测的限制和设计参数已经被提出。当然,我们只关注MMIC的射频性能。雷达MMIC还有其他参数可以限制距离,例如模数转换器(ADC)。范围也可以通过优化数字接收和处理链来增加,这样可以获得有用的信号以获得更低的接收功率和信噪比。



1评论

Mostafa Abdelgawwad 说:

伟大的信息,感谢全面的方法和所有博客的详细信息。

作为我在这项技术上进行的工程研究的一部分,但用于速度摄像机,您能否澄清一下,用于汽车速度控制的多普勒雷达在34.0、34.3或24.125 GHz的典型目标范围是什么?这些系统在现实世界中的实际表现如何(目标识别,区分相邻目标等)?FMCW系统比其他系统看到的更多吗?

例如,一个常见的法国制造的系统,IDEMIA公司制造的mesta fusion声称有200米的“观看距离”,而实际经验显示只有50到100米,它是一个低功率24Ghz FMCW,在6k频道上快速切换频率
如果我能进一步讨论这个问题会很好吗

谢谢

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