毫米波雷達，是工作在毫米波波段(millimeter wave )探測的雷達。通常毫米波是指30～300GHz頻域(波長為1～10mm)的。毫米波的波長介于微波和厘米波之間，因此毫米波雷達兼有微波雷達和光電雷達的一些優(yōu)點。

同厘米波導引頭相比，毫米波導引頭具有體積小、質量輕和空間分辨率高的特點。與紅外、激光、電視等光學導引頭相比，毫米波導引頭穿透霧、煙、灰塵的能力強，具有全天候(大雨天除外)全天時的特點。另外，毫米波導引頭的抗干擾、反隱身能力也優(yōu)于其他微波導引頭 。毫米波雷達能分辨識別很小的目標，而且能同時識別多個目標;具有成像能力，體積小、機動性和隱蔽性好，在戰(zhàn)場上生存能力強。

發(fā)展簡況

毫米波雷達的研制是從上世紀40年代開始的。50年代出現(xiàn)了用于機場交通管制和船用導航的毫米波雷達(工作波長約為 8毫米)，顯示出高分辨力、高精度、小天線口徑等優(yōu)越性。但是，由于技術上的困難，毫米波雷達的發(fā)展一度受到限制。這些技術上的困難主要是：隨著工作頻率的提高，功率源輸出功率和效率降低，接收機混頻器和傳輸線損失增大。

上世紀70年代中期以后，毫米波技術有了很大的進展,研制成功一些較好的功率源:固態(tài)器件如雪崩管(見雪崩二極管)和耿氏振蕩器(見電子轉移器件);熱離子器件如磁控管、行波管、速調管、擴展的相互作用振蕩器、返波管振蕩器和回旋管等。脈沖工作的固態(tài)功率源多采用雪崩管,其峰值功率可達5～15瓦(95吉赫)。

磁控管可用作高功率的脈沖功率源，峰值功率可達1～6千瓦(95吉赫)或1千瓦(140吉赫)，效率約為10%。回旋管是一種新型微波和毫米波振蕩器或放大器，在毫米波波段可提供兆瓦級的峰值功率。

在低噪聲混頻器方面，肖特基二極管(見晶體二極管、肖特基結)混頻器在毫米波段已得到應用，在 100吉赫范圍，低噪聲混頻器噪聲溫度可低至500K(未致冷)或100K(致冷)。此外，在高增益天線、集成電路和鰭線波導等方面的技術也有所發(fā)展。70年代后期以來，毫米波雷達已經(jīng)應用于許多重要的民用和軍用系統(tǒng)中，如近程高分辨力防空系統(tǒng)、導彈制導系統(tǒng)、目標測量系統(tǒng)等。

毫米波雷達工作在毫米波段。通常毫米波是指30～300GHz頻段(波長為1～10mm)。毫米波的波長介于厘米波和光波之間，因此毫米波兼有微波制導和光電制導的優(yōu)點。同厘米波導引頭相比，毫米波導引頭具有體積小、質量輕和空間分辨率高的特點。與紅外、激光、電視等光學導引頭相比，毫米波導引頭穿透霧、煙、灰塵的能力強，具有全天候(大雨天除外)全天時的特點。另外，毫米波導引頭的抗干擾、反隱身能力也優(yōu)于其他微波導引頭 。

毫米波雷達的特點、優(yōu)點、缺點;

毫米波雷達測距原理，測速原理，角速度測量原理;

毫米波雷達系統(tǒng)架構。

毫米波雷達：ADAS/自動駕駛核心傳感器

毫米波的波長介于厘米波和光波之間， 因此毫米波兼有微波制導和光電制導的優(yōu)點：

1)同厘米波導引頭相比，毫米波導引頭具 有體積小、質量輕和空間分辨率高的特點;

2)與紅外、激光等光學導引頭相比，毫米波導引頭穿透霧、煙、灰塵的能力強，傳輸距離遠，具有全天候全天時的特點;

3)性能穩(wěn)定，不受目標物體形狀、顏色等干擾。毫米波雷達很好的彌補了如紅外、激光、超聲波、 攝像頭等其他傳感器在車載應用中所不具備的使用場景。

毫米波雷達的探測距離一 般在150m-250m之間，有的高性能毫米波雷達探測距離甚至能達到300m，可以滿足汽車在高速運動時探測較大范圍的需求。與此同時，毫米波雷達的探測精度較高。

毫米波雷達——全天候全天時工作

毫米波雷達，顧名思義，就是工作在毫米波頻段的雷達。毫米波(Millimeter-Wave，縮寫：MMW)，是指長度在1~10mm的電磁波，對應的頻率范圍為30~300GHz。如圖2，毫米波位于微波與遠紅外波相交疊的波長范圍，所以毫米波兼有這兩種波譜的優(yōu)點，同時也有自己獨特的性質。毫米波的理論和技術分別是微波向高頻的延伸和光波向低頻的發(fā)展。

圖2 電磁波譜

根據(jù)波的傳播理論，頻率越高，波長越短，分辨率越高，穿透能力越強，但在傳播過程的損耗也越大，傳輸距離越短;相對地，頻率越低，波長越長，繞射能力越強，傳輸距離越遠。所以與微波相比，毫米波的分辨率高、指向性好、抗干擾能力強和探測性能好。與紅外相比，毫米波的大氣衰減小、對煙霧灰塵具有更好的穿透性、受天氣影響小。這些特質決定了毫米波雷達具有全天時全天候的工作能力。

大氣窗口和毫米波雷達的頻段劃分

通常大氣層中水汽、氧氣會對電磁波有吸收作用，目前絕大多數(shù)毫米波應用研究集中在幾個“大氣窗口”頻率和三個“衰減峰”頻率上。所謂的“大氣窗口”是指電磁波通過大氣層較少被反射、吸收和散射的那些透射率高的波段。如圖3，我們可以看到毫米波傳播受到衰減較小的“大氣窗口”主要集中在35GHz、45GHz、94GHz、140GHz、220GHz頻段附近。而在60GHz、120GHz、180GHz頻段附近衰減出現(xiàn)極大值，即“衰減峰”。一般說來，“大氣窗口”頻段比較適用于點對點通信，已被低空空地導彈和地基雷達所采用，而“衰減峰”頻段被多路分集的隱蔽網(wǎng)絡和系統(tǒng)優(yōu)先選用，用以滿足網(wǎng)絡安全系數(shù)的要求。

圖3 毫米波不同頻段大氣衰減趨勢圖

目前，各大國的車載雷達頻段主要集中在在24GHz、60GHz和77GHz這3個頻段，如表1展示了主要國家車載雷達頻率劃分情況。其中，24GHz的波長是1.25cm(雖然24GHz的波長是1.25cm，但是目前業(yè)界也依然將其稱之為毫米波)，60GHz是5mm，77GHz的波長則更短，只有3.9mm。正如前面所說，頻率越高波長越短，分辨率、精準度就越高。所以，精度更高的77GHz雷達正努力成為汽車領域主流傳感器

毫米波的基本特性

大家都知道雷達使用電磁波，電磁波這個媒介決定了微波雷達區(qū)別于超聲、聲吶等其它方法。

電磁波是交變電磁場，在自由空間傳播，這個電磁場交變的頻率，決定了雷達的基本屬性。當然，波長和頻率是一個等效的概念。電磁波按頻率劃分有這么幾個典型的頻段：

平時用的無線電是低于300Mhz的頻段，主要是AM，F(xiàn)M廣播使用。

微波頻段是通信和雷達使用的主要頻段，這是個很寬的頻，有300Mhz--300GHz，我們要講的毫米波是微波的一個子頻段。

大家可以看到的是，可見光、紅外、激光等，這些也是電磁波的一種但是由于頻率的不同，它和微波頻段的特性有很大差異。

所以所基于可見光、紅外、或者激光的方法一般就嚴格的講就不叫雷達了，雖然激光的機理和雷達可能是類似的。

那么不同頻段的電磁波主要的區(qū)別在哪里呢?就是以下這幾個特性，當電磁波在空間傳播的時候，它傳播的介質一改變，就會發(fā)生反射、吸收、透射、衍射等現(xiàn)象。不同頻段的電磁波，這幾種現(xiàn)象的占比就很大差異。

那么我們知道無論是雷達、主動紅外、激光雷達都是基于反射這個特性，不同頻率的電磁波在反射特性上就有很大差異，這個一方面取決于介質，也就是反射面的材質。比如金屬的材質更容易反射微波，水主要會吸收電磁波，那么水下我們就很少使用雷達。同時，這個反射、透射等特性還取決于電磁波的頻率。比如我們的廣播，一般在屋里也能接收到，但是wifi在隔了幾堵墻可能就很弱了，紅外和光根本就一張紙可能也透不過去。這是因為，波長越長，越容易發(fā)生透射和衍射現(xiàn)象，而波長越短，則很容易被反射。

一般來講電磁波波長和介質的尺寸之間的關系，如果大于，那么就容易透過和衍射，如果小于則容易反射。當然這里特別的是射線，因為他基本以粒子屬性為主，所以基本不能看做是波了。

我們要講的毫米波的波長是1cm到1mm之間，這個波長是很短的，它靠近太赫茲或者紅外，但是比這兩者的波長還長很多，這個波長早期開發(fā)起來難度很大，是近十年左右才利用起來的。

就像剛剛我們講的，我們現(xiàn)在能用來通信和處理的電磁波頻率越來越高，現(xiàn)在已經(jīng)講太赫茲、可見光通信了，這得益于技術的發(fā)展。毫米波這個波段30---300GHz，頻率很高，但是這個頻段里很多頻率區(qū)域的電磁波在空氣里傳播很容易被水分子、氧氣吸收，所以可用的就是幾個典型的頻段，也就是這里列出來的24、60、 77,、120GHz。當然24GHz很特別，他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。現(xiàn)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也在汽車里用得最早。

毫米波由于它的波長很短，就有別于無線電和較低頻的微波，根據(jù)剛才說的反射特性等特點來講，首先它很接近于光的傳播特性，對于較小的反射面(物體)也能較好的反射，另外由于頻率很高，它可調制的帶寬非常大。還有，一會我們會說到，由于波長很短，天線就可以很小。但是由于波長小，在空間傳播很容易被阻擋和吸收，那么也就導致它作用距離不可能太遠，當然這個遠近是相對其他波段來說的，一般作用距離1km以內。

毫米波雷達的檢測、測距、測速和角度測量

下面我們來說一下毫米波雷達。

我們知道雷達就是發(fā)射電磁波并通過檢測回波來探測目標的有無和遠近的一種電子裝置。這個和超聲、主動紅外、激光都一樣。只不過我們強調用了Radio。

毫米波和大多數(shù)微波雷達一樣，有波束的概念，也就是發(fā)射出去的電磁波是一個錐狀的波束，而不像激光是一條線。這是因為這個波段的天線，主要以電磁輻射，而不是光粒子發(fā)射為主要方法。這一點，雷達和超聲是一樣，這個波束的方式，導致它優(yōu)缺點。優(yōu)點，可靠，因為反射面大，缺點，就是分辨力不高。

毫米波雷達可以對目標進行有無檢測、測距、測速以及方位測量。

判斷有沒有目標很簡單，判斷回波有沒有就行了。

測距也簡單，都是基于TOF原理，但是我們說電磁波的傳播速度是光速，所以這個帶來了一定的挑戰(zhàn)。剛才我們說毫米波雷達作用距離都不太遠，比如我們說汽車或者無人機，那么探測距離就很近，回波和發(fā)射波間隔就非常短，所以一般并不太適合使用簡單的發(fā)射脈沖方式，所以現(xiàn)在主要是用FMCW方式較多。

毫米波雷達測速和普通雷達一樣，有兩種方式，一個基于dopler原理，就是當發(fā)射的電磁波和被探測目標有相對移動、回波的頻率會和發(fā)射波的頻率不同。通過檢測這個頻率差可以測得目標相對于雷達的移動速度。但是這種方法無法探測切向速度，第二種方法就是通過跟蹤位置，進行微分得到速度。

最后一個，是毫米波雷達的側向，雷達對目標方位的探測主要基于一種方法，就是使用較窄的波束。因為當目標出現(xiàn)在波束里，我們一般沒有辦法判斷目標具體在這個波束內部的那個方向，所以我們必須把波束做窄，當然能和激光一樣最好，但是這個很難。那么把波束做窄，有幾種方法，一種使用有向天線，比如喇叭天線或者透鏡天線。還有一種方法，就是使用多根天線+陣列信號處理的方法。對于毫米波來講，由于波長很短，所以我們做很多根天線的代價就很小(這個代價指價格、尺寸)，所以毫米波雷達大量使用陣列天線的方式來構成窄波束，能多窄呢?比如3度，5度這樣，是汽車常用的。當然這個和激光還不能比，但是已經(jīng)很好了。

毫米波雷達的基本技術

民用毫米波雷達首先應用的方向是汽車應用，大約199X年的時候，毫米波雷達就被用于汽車的ACC功能(自適應巡航)了，也就是在高速上跟著前車跑，他慢你慢，他快你快，保持一定距離。這依賴于毫米波長達200米以上的距離探測功能，其它手段是很難做到的。到后來，又陸續(xù)發(fā)展為防撞、盲區(qū)探測等其它功能，但是這個技術一直很貴，并且對國內封閉，直到2012年，出現(xiàn)了芯片級別的毫米波射頻芯片，這個技術的門檻一下降低了，所有應用打開了一個窗口。

毫米波雷達一般有這么幾個構成部分：天線、射頻、基帶、以及可能的控制層。

我們一個一個來說，首先天線。

剛才我們講，毫米波雷達波長幾個毫米，由于天線尺寸和波長相當，所以毫米波雷達的天線可以很小，從而可以使用多根天線來構成陣列天線，達到窄波束的目的，隨著收發(fā)天線個數(shù)的增多，這個波束可以很窄很窄。另外一個因素是，由于波長很小，毫米波可以使用一種”微帶貼片天線“，就是圖片里這個樣子，在pcb板上的ground層上鋪幾個開路的微帶線，就能做天線。這個導致毫米波雷達的天線可以做成pcb板。和大家常見的wifi和藍牙的pcb天線很像。當然，由于毫米波的頻率很高，那么一般需要高頻板材。實際上國內在一兩年前，都還不具備制作這個天線的能力。

接著是毫米波雷達的射頻部分。

剛才我們提過，早些年用離散器件搭難度很大，只有幾個大廠能做，并且形成了技術壁壘，但是芯片級別的毫米波射頻芯片的推出，門檻迅速下降，之前幾萬塊錢的毫米波雷達，現(xiàn)在可以1000塊左右了。當前使用sige工藝的片子還略貴，很多廠家在研發(fā)cmos工藝的，如果成功，可能就白菜價了。

最后是毫米波雷達的數(shù)字信號處理部分。

這部分就是一些算法，主要包括陣列天線的波束形成算法、信號檢測、測量算法、分類和跟蹤算法。這個就不展開了，因為涉及的面太多了。雷達的原理是簡單的，但是要做好，功夫就都要下在這個地方。

另外，還有一些廠家的方案，都是從射頻帶基帶一體的解決方式，我們可以預見，不遠的將來，集成程度會更高，到時候都是單芯片的方案了。

毫米波雷達的兩個應用

一個當然就是汽車。

由于毫米波雷達的距離遠、可靠性高、不受光線、塵埃影響，相比攝像頭，它距離150米以上的特性遠遠勝出。相比激光，1000塊左右的價格也是大大勝出。所以現(xiàn)在仍然是主流技術。

當然剛才我們提到它分辨力略低，那么和攝像頭的融合必然是一個趨勢。

當然，激光雷達在拼命的技術革新，想把價格降下來。由于技術和價格的迅速普及，原來只有50萬以上的車才有的毫米波雷達，現(xiàn)在十幾萬的車上也慢慢開始裝了，而且，telsa這樣ADAS領導者，也開始從汽車雷達廠商挖技術主管，并且在九月份開始裝配到它的電動車上了。可以看出來，毫米波雷達在汽車上的應用還是主流技術。

另一個就是無人機。

我們常講，汽車和無人機其實是很像的：高速移動，安全第一。

高速，必然要求，探測距離足夠遠。安全，必然要求檢測方法的魯棒性，和受環(huán)境影響小。

當然在某些應用里，無人機的環(huán)境比汽車也要復雜一點。

毫米波雷達在軍事有人機、無人機早已大規(guī)模應用。

其在無人機的第一個應用，也是目前市場最大的，是植保無人機的定高應用。

我們知道gps和氣壓計測的是海拔高度，而植保時，我們希望無人機在作物上方固定的高度飛行，無論地面和植被是否起伏。這個也叫仿地飛行。這種應用有很多的解決方案，比如我們說的超聲、激光、紅外、雙目等等。但是由于植保環(huán)境大多很差，有很大的灰塵，還有水霧，那么超聲和基于光學的都會受到很大干擾。

目前來看，基于毫米波雷達的高度計，表現(xiàn)是最穩(wěn)定的，首先他能穿透塵埃水霧，另外也基本不受什么干擾?；诓ㄊ?，而不是點反射，高度恰恰反映植被葉片高度。

無人機方面第二個應用就是避障。

這個同樣是一個多種傳感器爭奪的戰(zhàn)場。但是我們講毫米波雷達有不受光線影響、作用距離有非常大、可靠等優(yōu)勢，而這些優(yōu)勢在軍事有人機、汽車、無人機方面都被證明。

當然，雷達的分辨力確實較低。但是我們講過，由于陣列天線的優(yōu)勢，其實這個是可以有很大提高的，有3-5度的分辨力是有可能的。在美國這個避障比賽里，我們用毫米波雷達是得了第一的。所以請大家也有信心。這里有一個對比圖，大家可以看一看。

所以我們說毫米波雷達是有很大的調整空間的，比如波束寬度、作用距離、價格等。我們相信毫米波雷達在無人機測高、避障上優(yōu)勢很明顯，但也有需要光學來補充的地方。因此，我們提出這樣一個架構，使用毫米波雷達進行360度避障，和高度測量。

優(yōu)點

光波在大氣中傳播衰減嚴重，器件加工精度要求高。毫米波與光波相比，它們利用大氣窗口(毫米波與亞毫米波在大氣中傳播時，由于氣體分子諧振吸收所致的某些衰減為極小值的頻率)傳播時的衰減小，受自然光和熱輻射源影響小。為此，它們在通信、雷達、制導、遙感技術、射電天文學和波譜學方面都有重大的意義。利用大氣窗口的毫米波頻率可實現(xiàn)大容量的衛(wèi)星-地面通信或地面中繼通信。利用毫米波天線的窄波

毫米波雷達 束和低旁瓣性能可實現(xiàn)低仰角精密跟蹤雷達和成像雷達。在遠程導彈或航天器重返大氣層時，需采用能順利穿透等離子體的毫米波實現(xiàn)通信和制導。高分辨率的毫米波輻射計適用于氣象參數(shù)的遙感。用毫米波和亞毫米波的射電天文望遠鏡探測宇宙空間的輻射波譜可以推斷星際物質的成分。優(yōu)勢主要有以下幾點：

(1)小天線口徑、窄波束：高跟蹤和引導精度;易于進行低仰角跟蹤，抗地面多徑和雜波干擾;對近空目標具有高橫向分辨力;對區(qū)域成像和目標監(jiān)視具備高角分辨力;窄波束的高抗干擾性能;高天線增益;容易檢測小目標，包括電力線、電桿和彈丸等。

(2)大帶寬：具有高信息速率，容易采用窄脈沖或寬帶調頻信號獲得目標的細節(jié)結構特征;具有寬的擴譜能力，減少多徑、雜波并增強抗干擾能力;相鄰頻率的雷達或毫米波識別器工作，易克服相互干擾;高距離分辨力，易得到精確的目標跟蹤和識別能力。

(3)高多普勒頻率：慢目標和振動目標的良好檢測和識別能力;易于利用目標多普勒頻率特性進行目標特征識別;對干性大氣污染的穿透特性，提供在塵埃、煙塵和干雪條件下的良好檢測能力。

(4)良好的抗隱身性能：當前隱身飛行器上所涂覆的吸波材料都是針對厘米波的。根據(jù)國外的研究，毫米波雷達照射的隱身目標，能形成多部位較強的電磁散射，使其隱身性能大大降低，所以，毫米波雷達還具有反隱身的潛力。

應用

編輯

①導彈制導：毫米波雷達的主要用途之一是戰(zhàn)術導彈的末段制導。毫米波導引頭具有體積小、電壓低和全固態(tài)等特點，能滿足彈載環(huán)境要求。當工作頻率選在35吉赫或94吉赫時，天線口徑一般為10～20厘米。

此外，毫米波雷達還用于波束制導系統(tǒng)，作為對近程導彈的控制。

②目標監(jiān)視和截獲：毫米波雷達適用于近程、高分辨力的目標監(jiān)視和目標截獲，用于對低空飛行目標、地面目標和外空目標進行監(jiān)測。

③炮火控制和跟蹤：毫米波雷達可用于對低空目標的炮火控制和跟蹤，已研制成94吉赫的單脈沖跟蹤雷達。

④雷達測量：高分辨力和高精度的毫米波雷達可用于測量目標與雜波特性。這種雷達一般有多個工作頻率、多種接收和發(fā)射極化形式和可變的信號波形。目標的雷達截面積測量采用頻率比例的方法。利用毫米波雷達，對于按比例縮小了的目標模型進行測量，可得到在較低頻率上的雷達目標截面積。此外，毫米波雷達在地形跟蹤、導彈引信、船用導航等方面也有應用