【原】雷達探測距離 | 雷達能“看到”多遠(yuǎn)？
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本文將重點討論雷達系統(tǒng)的性能，即從它的最大檢測距離開始，討論雷達能檢測到多遠(yuǎn)的前方障礙物，以及可以優(yōu)化雷達 MMIC 收發(fā)器以增加雷達探測距離的參數(shù)是什么？因為考慮到汽車需要盡可能具備遠(yuǎn)視功能，以便能夠檢測到障礙并采取所需的行動（如圖 1）。根據(jù)應(yīng)用的不同，對檢測距離的要求也會有所不同。例如，遠(yuǎn)程雷達 (LRR) 不需要高分辨率或?qū)捯曇埃荚趯崿F(xiàn)盡可能大的檢測距離，以增加反應(yīng)時間并避免高速行駛時發(fā)生事故。另一方面，短程雷達 (SRR) 不需要看得很遠(yuǎn)，但更需要具有更高的分辨率和視野，但即使在這種配置中，也可以增加額外的厘米距離都可能有助于防止在復(fù)雜的駕駛環(huán)境中發(fā)生事故，例如城市或擁擠的停車場。一、雷達探測距離和雷達距離方程許多因素會影響雷達的探測范圍，這是雷達系統(tǒng)設(shè)計者無法控制的，因此第一步需要使用與電磁波傳播和模擬射頻前端相關(guān)的可用基本信息。
雷達距離R通過雷達鏈路預(yù)算與雷達 MMIC 收發(fā)器的射頻性能直接相關(guān)。在這種情況下，雷達距離方程提供作為輸出函數(shù)傳遞給射頻接收器前端的功率Pr發(fā)射機前端的功率 ( Pt )、發(fā)射和接收天線的增益 ( Gtx和Grx )、工作頻率 (波長λ) 和目標(biāo)的雷達橫截面 (σ)：其中，λ 4 /(4 π ? R ) 4項表示雙向自由空間損耗，而 (4 π ? σ )/ λ 2表示目標(biāo)上的反射。鏈路預(yù)算和對雷達方程式的不同貢獻如圖 2 所示。圖 2. 雷達系統(tǒng)鏈路預(yù)算示意圖在雷達系統(tǒng)參考文件 ：ETSI TR 103 593 V1.1.1 (2020-05)“傳輸特性和77GHz 至 81GHz 頻率范圍內(nèi)用于地面車輛應(yīng)用的無線電測定設(shè)備的技術(shù)特性”，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會 (ETSI) 為不同雷達操作模式下的天線增益提供了一組假設(shè)值（見表 1）以及接收鏈路的最小檢測功率 (-110dBm)，還列出了典型目標(biāo)的參考雷達橫截面值（表 2）。表 1. 根據(jù) ETSI TR 103 593 V1.1.1 (2020-05) 的雷達傳感器天線增益假設(shè)（假設(shè) Gtx=Grx）表 2. 根據(jù) ETSI TR 103 593 V1.1.1 (2020-05) 的典型目標(biāo)的雷達橫截面值這些值可用作評估和比較不同雷達系統(tǒng)理論性能的基準(zhǔn)。如今，雷達收發(fā)器是硅 RFIC（射頻集成電路），它不僅可以在單個芯片上集成多種功能，還可以根據(jù)汽車?yán)走_的要求提供多個發(fā)射和接收通道。如果過渡到 CMOS（互補金屬氧化物半導(dǎo)體）將降低雷達 MMIC 的成本和功耗，CMOS 也完全不受溫度變化的影響，這是惡劣汽車環(huán)境中的理想特性。圖 3 給出了收發(fā)器 MMIC 的框圖示例。圖 3. 多通道雷達 MMIC 收發(fā)器的簡化框圖雷達系統(tǒng)的整體性能將受到雷達 MMIC 收發(fā)器中模擬射頻發(fā)射和接收性能的強烈影響。在距離限制的情況下，需要考慮兩個主要參數(shù)：發(fā)射器的輸出功率和接收器的噪聲系數(shù)。MMIC 的每個傳輸鏈提供的功率將是雷達性能的關(guān)鍵，故而必須考慮射頻功率放大器的輸出功率?；谶@個參數(shù)，并考慮上面給出的雷達方程，在給定接收器靈敏度 (Prmin ) 的理想情況下的最大可檢測距離可以計算為：上述公式表明，增加發(fā)射功率 P_t 將增加雷達的探測距離。例如，遠(yuǎn)程雷達 (LRR) 的輸出功率增加 1dB 后，可以檢測到 2.8 米的自行車、6 米的摩托車和 11 米的普通汽車，如圖 4 所示。在高速行駛時高速公路，這可能意味著按時制動或撞上意想不到的交通障礙之間的區(qū)別。但在短距離應(yīng)用中也可以看到增加輸出功率的好處。對于 USRR（超短程雷達），發(fā)射功率增加 1dB 意味著增加 35cm 至 50cm 或檢測到小孩、行人或自行車，如圖 5 所示。這對于在擁擠的環(huán)境中駕駛尤為重要城市環(huán)境，以避免與高度脆弱的受害者發(fā)生事故。當(dāng)然，這些估算沒有考慮實際場景中的額外損耗（例如，下雨、多徑傳播等等）所有這些因素都會相對于理想情況降低雷達探測距離。例如，雷達模塊通常放置在汽車標(biāo)志或保險杠的后面，保險杠面板會引入 2dB 到 8dB 的損耗，具體取決于它們的成分和油漆，這意味著檢測距離損失了 11% 到 37%（雷達鏈路運算需要考慮）。盡可能提供多的功率輸出有助于解決這個問題，故而優(yōu)化 RF 傳輸鏈的性能，尤其是功率放大器的最后一級，至關(guān)重要。除了檢測閾值外，系統(tǒng)還需要最小信噪比 (SNR) 才能執(zhí)行雷達信號處理。雷達接收機的信噪比是接收功率Pr與噪聲功率N的比值。它可以從考慮環(huán)境溫度T和信號持續(xù)時間Tmeas的雷達方程導(dǎo)出：其中，k是玻爾茲曼常數(shù)，F是噪聲因子（以 dB 為單位，噪聲系數(shù)NF），它說明了來自接收器的噪聲貢獻。給定某個檢測閾值SNRmin，理論上可實現(xiàn)的最大范圍可確定為：上述公式表明，通過降低噪聲系數(shù) F（以及相反的噪聲系數(shù) NF），雷達探測距離將增加。假設(shè)系統(tǒng)需要 20dB 的 SNR 閾值，并考慮與上述相同的示例。在 LRR 的情況下，如圖 6 所示，將噪聲系數(shù)降低 1dB 將使范圍增加 4m（自行車）、10m（摩托車）和 13m（汽車）。這距離范圍增加在短距離內(nèi)也很重要，通過降低 1dB 的噪聲系數(shù)，可以為最脆弱的交通參與者（兒童和成人行人和自行車）的檢測贏得 50cm 到 1m，如圖 7 所示。圖 7. USRR 的檢測范圍與噪聲系數(shù)因此，接收器鏈的噪聲系數(shù)也將成為雷達 MMIC 收發(fā)器設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。由于噪聲的主要貢獻者是模擬接收鏈中的第一個放大器（圖 8），雷達 MMIC 收發(fā)器中的 LNA 應(yīng)仔細(xì)設(shè)計和優(yōu)化以實現(xiàn)低噪聲系數(shù)。五、設(shè)計權(quán)衡鑒于上述分析的結(jié)果，如果想通過優(yōu)化雷達 MMIC 收發(fā)器的 RF 性能來擴展雷達系統(tǒng)的探測距離，則有兩個關(guān)鍵的設(shè)計參數(shù)，即發(fā)射功率和噪聲系數(shù)。其中，任何一個提高都會增加檢測距離。但是應(yīng)該選擇哪一個進行優(yōu)化呢？擁有更高的輸出功率將有助于補償現(xiàn)實生活環(huán)境造成的額外損失。此外，它將提供更好的抗干擾保護。但在另一方面，MMIC 的功耗和功耗會更高。隨著更多發(fā)射通道的集成，這個問題將會凸顯。如果功耗很關(guān)鍵，調(diào)整噪聲系數(shù)可能是更好的選擇，這是針對高能效 MMIC 的完美解決方案。然而，低噪聲系數(shù)需要更高的 RX 增益，這反過來會影響接收器的線性度。此外，可能存在較少的抗干擾保護，因為不需要的信號將隨著所需信號被放大。理想情況下，考慮到所選半導(dǎo)體技術(shù)和整體系統(tǒng)設(shè)計的局限性，兩者都應(yīng)盡可能地進行調(diào)整。本文圍繞MMIC 的 RF 性能介紹了雷達測距的限制和設(shè)計參數(shù)，但雷達 MMIC 還有一些可以限制距離的附加參數(shù)，例如，模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，另外還可以通過優(yōu)化數(shù)字接收和處理鏈來增加距離，以便可以獲得較低接收功率和 SNR 的有用信號。【1】https://www./us/en/blogs/radar-range-how-far-can-radar-see喜歡本文，可以轉(zhuǎn)發(fā)朋友圈~，讓更多人一起學(xué)習(xí)雷達！關(guān)注【調(diào)皮連續(xù)波】，和1萬+人一起學(xué)雷達！加入世界上最大的【雷達技術(shù)交流群】，隨時和行業(yè)大牛暢聊雷達技術(shù)！
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