无线电探测及测距（Radio Detection and Ranging）， 发射电磁波并接收目标反射的回波信号，通过对比发射信号与回收信号，获取目标的位置、速度等信息。

    雷达的分类
• 所发射电磁波的频段，决定了雷达的基本性能特点
• 超视距雷达、微波雷达、毫米波雷达、激光雷达、…

• 按照用途分类:军用，气象，导航，车载
• 按照波长分类:米，分米，厘米，毫米
• 按照波形分类:脉冲，连续波

按照波长和用途分类

• 长波雷达(米，分米)，分辨率低，穿透性强
  ➢一般用于广播，军事预警，卫星通讯等:
• 短波雷达(厘米，毫米)，分辨率高，穿透性差
  ➢一般用于测绘，短程通讯，车载应用等

按照波形分类

• 脉冲雷达
  ➢通过脉冲发送和接收的时间差来确定目标的距离
  ➢不能确定目标的速度
• 连续波雷达
  ➢发射信号在时间上是连续的
  ➢发射信号的频率是随着时间变化的(调频连续波)

◼ 调制：将调制信号（待传输信息）混合到载波信号（起到载运作
用的信号）的过程，可分为调频，调幅，调相。
◼ 解调：相反的过程，即从混合信号中恢复出待传输信息。
◼ 带宽：调制信号频谱的宽度，带宽高有利于传输更多数据。

• 毫米波雷达使用的电磁波波长介于1-10mm，波长短、频段宽，比较 容易实现窄波束，雷达分辨率高，不易受干扰
• 早期被应用于军事领域，随着雷达技术的发展与进步，毫米波雷达传 感器开始应用于汽车电子、无人机、智能交通等多个领域。

    在车载毫米波雷达中，目前主要有三种调制方案：调频连续波（Frequency
Modulated Continuous Wave, FMCW），频移键控（Frequency Shift Keying, FSK）以及相移键控（Phase Shift Keying, PSK）。
    主流车载毫米波雷达所采用的的调制信号为调频连续波FMCW。

    其基本原理是在发射端发射一个频率随时间变化的信号，经目标反射后被接收机接收，通过反射信号和接收信号之间的混频，得出两个信号的频率差，随后通过电磁波传播公式和多普勒效应公式求出目标距离和速度.

⚫ 测距测速是通过分析发射和接收的调频连续之间的区别来实现
⚫ 测量角度是通过计算不同天线单元之间的延时差来计算

    这里首先分析 0 < t < T / 2 0<t<T/2 0<t<T/2 时收发信号的关系。在调频连续波雷达中，本振信号的频率在半个周期内是随时间成线性关系变化的，即 f L O ( t ) = f 0 + k t ( 0 < t < T 2 ) {f_{LO}}(t) = {f_0} + kt{\rm{ }}(0 < t < \frac{T}{2}) fLO​(t)=f0​+kt(0<t<2T​)    其中 f 0 f_0 f0​ 是初始时刻的频率， k k k 是频率随时间变化的斜率。因为频率是相位关于时间 t t t 的导数，因此相位可以表示为频率关于时间 t t t 的积分，即 ϕ ( t ) = 2 π ∫ f ( t ) d t = π k t 2 + 2 π f 0 t + ϕ 0 \phi (t) = 2\pi \int {f(t)dt = \pi k{t^2} + 2\pi {f_0}t + {\phi _0}} ϕ(t)=2π∫f(t)dt=πkt2+2πf0​t+ϕ0​    其中 ϕ 0 \phi _0 ϕ0​ 是初始相位，因此本振信号关于时间的表达式可以写成 V L O ( t ) = V 1 cos ⁡ ( π k t 2 + 2 π f 0 t + ϕ 0 ) {V_{LO}}(t) = {V_1}\cos (\pi k{t^2} + 2\pi {f_0}t + {\phi _0}) VLO​(t)=V1​cos(πkt2+2πf0​t+ϕ0​)    其中 V 1 V_1 V1​ 是本振信号的幅度，由于该本振信号的频率是随时间呈连续周期性变化的，所以称之为调频连续波，本振信号经过功率放大器（Power Amplifier, PA）放大后，由天线发射到自由空间中，这里把 PA 和天线的总增益记为 G 1 G_1 G1​，则发射信号为 V T X ( t ) = G 1 V 1 cos ⁡ ( π k t 2 + 2 π f 0 t + ϕ 0 ) {V_{TX}}(t) = {G_1}{V_1}\cos (\pi k{t^2} + 2\pi {f_0}t + {\phi _0}) VTX​(t)=G1​V1​cos(πkt2+2πf0​t+ϕ0​)    该信号经过空气传播到目标表面，被目标反射，最后由接收机接收，信号往返的传播时间为 τ τ τ，若雷达和目标的距离为 r ( t ) r(t) r(t)，则 τ = 2 r ( t ) c = 2 ( r 0 + v t ) c \tau = \frac{{2r(t)}}{c} = \frac{{2({r_0} + vt)}}{c} τ=c2r(t)​=c2(r0​+vt)​    其中 c c c 为电磁波在空气中的传播速度， r 0 r_0 r0​ 是初始距离， v v v 为雷达和目标间的相对速度。
    电磁波在空气中传播和被目标反射的过程也会带来一定损耗，损耗系数记作 α 1 α_1 α1​，则接收信号可以表示为 V R X ( t ) = α 1 G 1 V 1 cos ⁡ ( π k ( t − τ ) 2 + 2 π f 0 ( t − τ ) + ϕ 0 ) {V_{RX}}(t) = {\alpha _1}{G_1}{V_1}\cos (\pi k{(t - \tau )^2} + 2\pi {f_0}(t - \tau ) + {\phi _0}) VRX​(t)=α1​G1​V1​cos(πk(t−τ)2+2πf0​(t−τ)+ϕ0​)    这里再介绍以下混频的概念：
混频：输出信号频率等于两输入信号频率之和、差或其他组合的电路。
常用方法： cos ⁡ α ⋅ cos ⁡ β = [ cos ⁡ ( α + β ) + cos ⁡ ( α − β ) ] / 2 \cos \alpha \cdot \cos \beta = [\cos (\alpha + \beta ) + \cos (\alpha - \beta )]/2 cosα⋅cosβ=[cos(α+β)+cos(α−β)]/2

    接收信号经过低噪声放大器（Low Noise Amplifier, LNA）放大后，与本振信号进行混频。混频后的信号包含了高频分量和低频分量，将该信号通过一个低通滤波器可得（假设通带内的增益为单位增益）： V I F ( t ) = α 1 G 1 G 2 V 1 2 cos ⁡ ( 2 π k τ t + 2 π f 0 τ − π k τ 2 ) {V_{IF}}(t) = {\alpha _1}{G_1}{G_2}{V_1}^2\cos (2\pi k\tau t + 2\pi {f_0}\tau - \pi k{\tau ^2}) VIF​(t)=α1​G1​G2​V1​2cos(2πkτt+2πf0​τ−πkτ2)    求导，即可求出中频频率（混频后的信号经低通滤波后所得低频分量，又叫中频频率 f 𝐼 𝐹 f_{𝐼𝐹} fIF​(intermediate frequency)为，是RX与TX之差。） f I F ( t ) ≈ 2 k r 0 c + 2 f 0 v c {f_{IF}}(t) \approx \frac{{2k{r_0}}}{c} + \frac{{2{f_0}v}}{c} fIF​(t)≈c2kr0​​+c2f0​v​    只知道上式是无法求出速度和距离的，所以需要用到三角波的原理进行求解，三角波有两个斜率，一正一负，可以得到两个表达式，进而可以求解出距离 r r r和速度 v v v。三角波的周期为 T T T，最低频率、最高频率和中心频率分别为 f a 、 f b 、 f c f_a、f_b、f_c fa​、fb​、fc​，其带宽 B = f b − f a B=f_b-f_a B=fb​−fa​，三角波的斜率为 k = 2 B T = 2 ( f b − f a ) T k = \frac{{2B}}{T} = \frac{{2({f_b} - {f_a})}}{T} k=T2B​=T2(fb​−fa​)​    上升、下降区间的中频频率分别为 𝑓 1 𝑓_1 f1​, 𝑓 2 𝑓_2 f2​,斜率为 k k k, 光速为 c c c,变频后的结果如下 f 1 = 2 k r c + 2 f c v c {f_1} = \frac{{2kr}}{c} + \frac{{2{f_c}v}}{c} f1​=c2kr​+c2fc​v​ f 2 = − 2 k r c + 2 f c v c {f_2} = \frac{{ - 2kr}}{c} + \frac{{2{f_c}v}}{c} f2​=c−2kr​+c2fc​v​    因此可以解出速度和距离 v = ( f 1 + f 2 ) c 4 f c v = \frac{{({f_1} + {f_2})c}}{{4{f_c}}} v=4fc​(f1​+f2​)c​ r = ( f 1 − f 2 ) c 4 k r = \frac{{({f_1} - {f_2})c}}{{4k}} r=4k(f1​−f2​)c​

     一对收发机所采集到的信号是不具备角度信息的， 因此需要采用多路发射多路接收的架构，或者采用相控阵架构。
    短波长和小天线孔径就很有必要了，
•短波长意味着波束更窄，能量更加集中；
•更小的孔径尺寸意味着系统上能集成更多的天线单元
     这些都有利于提高角分辨率。

⚫ 天线向外发射毫米波，接收目标反射信号
⚫ 信号处理器完成回波信号处理
⚫ 算法芯片完成原始点云目标的进一步处理
⚫ CAN接口完成毫米波处理数据的发送以及配置信息的输入

毫米波雷达的天线接发系统
• PCB板实现MMIC(单片微波集成电路)
• 包括接收电路单元，负责发射与接收连续调频波
毫米波雷达的信号处理芯片
• 包含信号处理器和算法芯片
• 完成回波信号处理与目标感知结果的计算

传输层协议：网口UDP/IP协议，或者CAN接口

• 控制器局域网总线（CAN，Controller Area Network）是一种用 于实时应用的串行通讯协议总线

数据格式：按照CAN编码机制，确定雷达的输入配置信息与输出数据格式

• CAN报文
  13个字节 信息段（5Byte）+数据段（8Byte）
  数据段按照事先规定好的报文规则进行编码和解码
• CAN报文解析使用方法
  
  数据内容：不同内容使用不同的CAN协议
  Cluster类型：包含3类message：
• Header(数量n)
• +n个数据消息(距离/角度/速度)
• +n个质量消息(数据的方差)(1≤n ≤ 256）

常见参数：

• 测量性能 测距范围
  距离/水平角/速度 分辨率 (可对两个物体进行区分的最小单位)
  距离/水平角/速度 精度 (测量不确定性)

• 操作条件 雷达发射功率、传输能力、电源、功耗、操作温度

    毫米波雷达具有全天侯适应性，是高级别自动驾驶实现必备的环境感知传感器.
    77GHz及79GHz雷达是未来车载毫米波雷达的发展方向，国内正处于快速追赶时期

PS：此部分主要是为了简单理解FMCW雷达的工作原理，是对第一章内容的补充。
    总结一下，FMCW雷达的工作流程：

• 合成器生成一个线性调频信号 ;
• 发射天线( TX )发射线性调频信号;
• 接收天线( RX )捕获目标对线性调频信号的反射;
• 混频器将RX和TX信号合并到一-起，生成一个中频(IF )信号。
  

对于一个脉冲信号

• 信号的频率随时间的变化线性升高
• 起始频率 f c f_c fc​,持续时间 T c T_c Tc​，带宽 B B B,频率变化率 S S S
  

作用：将TX和RX的信号合并生成一个新的信号IF

TX发射信号： x 1 = sin ⁡ ( 2 π f 1 t + ϕ 1 ) {x_1} = \sin (2\pi {f_1}t + {\phi _1}) x1​=sin(2πf1​t+ϕ1​)
RX接收信号： x 2 = sin ⁡ ( 2 π f 2 t + ϕ 2 ) {x_2} = \sin (2\pi {f_2}t + {\phi _2}) x2​=sin(2πf2​t+ϕ2​)
中频信号IF： x o u t = sin ⁡ ( 2 π ( f 1 − f 2 ) t + ϕ 1 − ϕ 2 ) = sin ⁡ ( 2 π Δ f t + Δ ϕ ) \begin{array}{c}{x_{out}} = \sin (2\pi ({f_1} - {f_2})t + {\phi _1} - {\phi _2})\\ = \sin (2\pi \Delta ft + \Delta \phi )\end{array} xout​=sin(2π(f1​−f2​)t+ϕ1​−ϕ2​)=sin(2πΔft+Δϕ)​

对于单个静止目标，RX和TX脉冲 之间的时间差是固定为 τ τ τ。因此，频率差也是固定的，也就是说IF是一个频率恒定的单音信号。IF的 Δ f \Delta f Δf Δ ϕ \Delta \phi Δϕ用以估计速度和距离。

PS：此处估计为了简要分析，雷达与目标的相对速度为0.

RX和TX之间的时间差为 τ = 2 r c \tau = \frac{{2r}}{c} τ=c2r​， r r r为距离， c c c为光速。由此可以推出 τ = 2 r c ⇒ r = Δ f ⋅ c 2 S \tau = \frac{{2r}}{c} \Rightarrow r = \frac{{\Delta f \cdot c}}{{2S}} τ=c2r​⇒r=2SΔf⋅c​

从上式可以看出，最大探测距离 r r r受限于 Δ f \Delta f Δf的最大值， Δ f \Delta f Δf受限于以下两个因素：

1. 带宽 B B B: Δ f < B \Delta f<B Δf<B,因此 r < B ⋅ c 2 S r < \frac{{B \cdot c}}{{2S}} r<2SB⋅c​
2. IF信号的采样频率 F S F_S FS​: F S > 2 Δ f F_S>2\Delta f FS​>2Δf
   假设一个chirp内的采样频率为 N N N, F S = N / T c F_S=N/T_c FS​=N/Tc​,可得
   r < F S ⋅ c 4 S = N ⋅ c 4 T c S = N ⋅ c 4 B r < \frac{{{F_S} \cdot c}}{{4S}} = \frac{{N \cdot c}}{{4{T_c}S}} = \frac{{N \cdot c}}{{4B}} r<4SFS​⋅c​=4Tc​SN⋅c​=4BN⋅c​

最大探测距离主要受限于 F s F_s Fs​，并且与 B B B成反比

FMCW雷达会发射两个间隔 T c T_c Tc​的线性调频脉冲(两个Chirp) ，相应的IF信号为:
在这里有两个近似条件：

1. 在一个chirp时间（ T c = 40 μ s {T_c} = 40\mu s Tc​=40μs）内，目标的移动距离可以近似看成不变。
2. TX与RX的频率基本不变： Δ f 1 ≈ Δ f 2 \Delta {f_1} \approx \Delta {f_2} Δf1​≈Δf2​

相位计算公式： Δ ϕ = 2 π f τ = 2 π c τ λ = 4 π r λ \Delta \phi = 2\pi f\tau = \frac{{2\pi c\tau }}{\lambda } = \frac{{4\pi r}}{\lambda } Δϕ=2πfτ=λ2πcτ​=λ4πr​其中， f f f是发射信号频率， τ τ τ是时间延迟， λ λ λ是发射信号波长， r r r是目标距离。
相位变化为 Δ ϕ 1 − Δ ϕ 2 = 4 π ( r 1 − r 2 ) λ = 4 π v T c λ \Delta {\phi _1} - \Delta {\phi _2} = \frac{{4\pi ({r_1} - {r_2})}}{\lambda } = \frac{{4\pi v{T_c}}}{\lambda } Δϕ1​−Δϕ2​=λ4π(r1​−r2​)​=λ4πvTc​​用 λ = 4 × 1 0 − 3 ， v = 10 m / s \lambda = 4 \times {10^{ - 3}}，v=10m/s λ=4×10−3，v=10m/s估算，得到相位变化为 0.4 π 0.4\pi 0.4π,较大。
因此得到速度的估计公式： v = ( Δ ϕ 1 − Δ ϕ 2 ) λ 4 π T c v = \frac{{(\Delta {\phi _1} - \Delta {\phi _2})\lambda }}{{4\pi {T_c}}} v=4πTc​(Δϕ1​−Δϕ2​)λ​限制 ∣ Δ ϕ 1 − Δ ϕ 2 ∣ < π {\left| {\Delta {\phi _1} - \Delta {\phi _2}} \right| < \pi } ∣Δϕ1​−Δϕ2​∣<π时有效，则得到 v < λ 4 T c v < \frac{\lambda }{{4{T_c}}} v<4Tc​λ​

发射一组M个等间隔线性调频脉冲(M个Chirp),

对N这个维度进行FFT处理(距离FFT) ，得到M个频谱。

• 如果目标距离相同，速度不同，M个频谱的峰值相同，但相位不同，包含来自多个目标的相位成分。
• 如果目标距离不同，速度不同，M个频谱都会出现多个峰值，每个峰值的相位都不同。

对M这个维度进行FFT处理(速度FFT) ，可以分离多个相位分量。

速度分辨率:雷达能区分两个不同目标的最小速度差。
傅里叶变换理论指出:两个离散频率 ω 1 \omega_1 ω1​和 ω 2 \omega_2 ω2​在满足 ∇ ω = ω 1 − ω 2 > 2 π / M \nabla \omega = {\omega _1} - {\omega _2} > 2\pi /M ∇ω=ω1​−ω2​>2π/M时，是可以分辨的。 ∇ ϕ 1 − ∇ ϕ 2 = 4 π T c λ ( v 1 − v 2 ) > 2 π / M \nabla {\phi _1} - \nabla {\phi _2} = \frac{{4\pi {T_c}}}{\lambda }({v_1} - {v_2}) > 2\pi /M ∇ϕ1​−∇ϕ2​=λ4πTc​​(v1​−v2​)>2π/M ( v 1 − v 2 ) > λ 2 T c M = λ 2 T f ({v_1} - {v_2}) > \frac{\lambda }{{2{T_c}M}} = \frac{\lambda }{{2{T_f}}} (v1​−v2​)>2Tc​Mλ​=2Tf​λ​ T f T_f Tf​为一帧的时间
提高速度分辨率的方法:提高帧时间，Chirp时 间固定的话等价于增加Chirp个数。