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FMCW 微波雷达应用于汽车的探测控制设计
William David
摘要
这篇文章改进了关于毫米波雷达应用于自动纵向控制的引导信息。对于量程和与它的传统毫米波雷达操作对比，这种技术介绍了毫米波至关重要的容量和限制。这篇文章可以充当初级指南或是辅导用书，对于那些在自动控制领域和那些可能将雷达应用于航行和FMCW雷达配置的研究人员十分有益。这篇文章提供了关于FMCW雷达在毫米波频率下运行的细节处理。这种技术的优点和缺陷与它的量程和速率测量方法息息相关。
这篇文章的一些材料可以在课本和期刊中找到，然而一些材料在总体的文献中没有具体涉及。这篇文章一共有除了介绍部分还有六个部分。第二部分讨论了大气对于毫米波的影响。第三部分讨论了MMIC技术以及它在毫米波雷达在汽车控制发展的影响。第四部分讨论了毫米波的性能。第五部分讨论了自动雷达发送能量需求。第六部分讨论了雷达的波形。
- 介绍
公众对于将毫米波技术应用于自动控制作用有着广泛切强烈的兴趣。TRW, Hughes, Thompson CSF, Siemens, Telefunken, Daimler Benz, Philips, 以及Marconi等在欧洲的社团关于毫米波自动控制有着积极的项目研究。另一方面由Toyota团队领导的日本组织有一项积极且有远大抱负的项目。
在大规模的政府扶持和企业投资下自动毫米波应用于毫米波隔离电路生产项目的可能性大大提高了。MMIC技术以及MMW天线技术的广泛应用刺激了许多不同的应用。
与微波雷达相似，毫米波雷达是一种（适用于）全气候的雷达。它可以同时测量量程，速率，反射率，方位角和仰角。相比较微波雷达，毫米波雷达有几个优势，也就是说：整个系统相对简单，体积更加小，提供了高分辨率，毫米波雷达在小量程内更容易运行，毫米波雷达在宽频带提供了数据，毫米波雷达相对廉价。
毫米波区段总体被认为覆盖了30~300GHz的频率范围，相应地波长为10mm至1mm的范围。
毫米波雷达在探测和毫米波频率的量程分布的使用，很大程度上由所谓的窗口（最小吸收区域）所决定。最小吸收区域定位于35GHz，70GH在，95GHz，140GHz，以及220GHz。大气的衰弱如此严重，甚至对在大气窗口中运行的毫米波，都不可能测量大范围的数据。
- 传播效应
传播效应是在毫米波雷达设计领域中主要的关心方面。传播效应的特性会影响毫米波的探测，距离修正和追踪功能。主要的传播效应包括大气吸收；由于降雨，降雪，雾霾等造成的大气稀薄；大气消减；相位变化；极性影响；抵达角度的变化；管道设置以及表面现象。这些必须在毫米波雷达的设计过程中被考虑在内。毫米波的运用很大程度上由大气窗口的存在决定。大气窗口的被定义为最少结净空气消退的系数所决定。窗口的特性之一是在频率上的窗口增加是最小值。因此在选择运行雷达频率清洁空气消散需要被考虑在内。图表1给出了在海平面给出了消散系数于清洁空气雷达窗口。
|
雷达型号 |
标称频率 (GHz) |
衰减系数 Ka(dB/km) |
|
L |
1.3 |
0.012 |
|
S |
3.0 |
0.015 |
|
C |
5.5 |
0.017 |
|
X |
10 |
0.024 |
|
Ku |
15 |
0.055 |
|
K |
22 |
0.3 |
|
Ka |
35 |
0.14 |
|
V |
60 |
35.0 |
|
W |
95 |
0.8 |
|
No designation |
140 |
1.0 |
|
No designation |
240 |
15.0 |
图1. 海平面清洁空气雷达窗口的消散系数
一般来说，如果一个雷达遇到了6dB或者更高的双路大气衰减，那么在更低的窗口雷达会被设计地更加经济实惠。雨水和潮湿的降雪会对毫米波造成更严重的衰减影响，然而干燥的降雪，阴云和雾霾对于毫米波会有更轻微的影响。图2A列举了随着特定的降雨率函数变化而产生的毫米波频率衰减值。
在更高的频率状况下毫米波更容易被晴朗天气下的降雨所影响。若使用6dB允许衰减的原则，最经济的量程在3mm/小时的降雨情况下被显示于图2B的最后一列。它当然有可能消除衰减。但是如果不是毫米波的应用只需要最小的天线，更低频率带宽下的应用将会更加经济实惠。
|
alpha;=ARB |
||||
|
R mm/hr alpha;(dB/km) |
||||
|
5 |
0.059 |
1.33 |
2.56 |
4.48 |
|
10 |
0.133 |
2.64 |
4.68 |
5.984 |
|
15 |
0.213 |
3.93 |
6.65 |
9.05 |
|
20 |
0.297 |
5.22 |
8.54 |
10.88 |
|
25 |
0.385 |
6.50 |
10.36 |
12.55 |
|
30 |
0.475 |
7.78 |
12.14 |
14.11 |
|
35 |
0.568 |
9.06 |
13.88 |
15.57 |
|
40 |
0.663 |
10.33 |
15.18 |
16.96 |
|
45 |
0.760 |
11.60 |
17.27 |
18.29 |
|
50 |
0.859 |
12.87 |
18.91 |
19.56 |
|
60 |
1.062 |
15.40 |
22.16 |
21.99 |
|
70 |
1.270 |
17.93 |
25.32 |
24.17 |
|
75 |
1.375 |
19.19 |
26.89 |
25.36 |
|
100 |
1.972 |
25.48 |
34.52 |
30.49 |
图2A随着特定降雨率函数而变化的MMW频率衰减值
|
雷达型号 |
标称频率 GHz |
双道衰减系数 （dB/km） |
6dB衰减情况下的距离（km） |
|
|
降雨 |
全部 |
|||
|
L |
1.3 |
0.001 |
0.013 |
|
|
S |
3 |
0.004 |
0.019 |
|
|
C |
5.5 |
0.023 |
0.04 |
250 |
|
X |
10 |
0.11 |
0.13 |
45 |
|
Ku |
15 |
0.25 |
0.3 |
20 |
|
K |
22 |
0.7 |
1.0 |
6 |
|
Ka |
35 |
1.7 |
1.8 |
3 |
|
V |
60 |
4.0 |
39 |
0.15 |
|
W |
95 |
6.0 |
6.8 |
0.9 |
|
140 |
7.0 |
8.0 |
0.7 |
|
图2B在降雨3mm/hour情况下的衰减系数
多云与雾
实际上，与降雨所引起的衰减率相比而言，由于雾霾所引起的衰减通常是平缓的。作为云与雾霾中的较小的悬浮颗粒对于毫米波雷达传播只有相对较小的影响。对于密度浓缩为0.3g/m2的水而言，它的衰减系数只有每小时降雨3mm的一半。干燥雪有更少的衰减系数，除了在最高的传播速率下。然而，在短波区域中由湿润降雪造成的衰减相比较于由降雨造成的衰减会有相同的传播率。因此，在低于100GHz的频率下，由雾霾，降雪和冰雹引起的衰减理论上会远远小于由降雨造成的衰减。在这种前提下设计的思想应该仅仅建立在降雨数据的基础上。
灰尘与烟雾
因为由小体积悬浮颗粒所组成的尘土和烟雾这类障碍物对毫米波雷达的运行影响是可以忽略不计的。
由于气候所造成的全衰减
除了上述已讨论的传播因素之外，像反射，折射，横向极化，天线偏移等由于
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