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超聲波雷達、紅外雷達、激光雷達都是通過對回波的檢測,與發射信號相比較,得到脈沖或相位的差值,從而計算出發射與接收信號的時間差。再分別對應于超聲波、紅外線、激光在空氣中的傳播速度,計算出與障礙物的距離與相對速度。毫米波雷達與光學和紅外線雷達相比不受目標物體形狀顏色的干擾,與超聲波相比不受大氣紊流的影響,因而具有穩定的探測性能;環境適應性好。受天氣和外界環境的變化的影響小,雨雪,灰塵,陽光都對其沒有干擾;多普勒頻移大,測量相對速度的精度提高。
下面我們就逐步介紹主流的傳感器技術,目前最受關注的傳感手段是運用毫米波進行測量的雷達系統。今天先介紹毫米波雷達技術。
雷達為利用無線電回波以探測目標方向和距離的一種裝置。雷達為英文Radar一詞的譯音,該字詞是由Radio DetectionAnd Ranging一語的前綴縮寫而成,為無線電探向與測距的意思。全世界開始熟悉雷達是在1940年的不列顛空戰中,七百架載有雷達的英國戰斗機,擊敗兩千架來襲的德國轟炸機,因而改寫了歷史。二次大戰后,雷達開始有許多和平用途。在天氣預測方面,它能用來偵測暴風雨;在飛機輪船航行安全方面,它可幫助領港人員及機場航管人員更有效地完成他們的任務。
毫米波,是工作在毫米波波段(millimeter wave),工作頻率在 30~100GHz,波長在1~10mm之間的電磁波。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點。車用毫米波雷達主要包括24GHz和77GHz毫米波雷達。
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。毫米波雷達可以全天候工作,不受天氣狀況的影響,而惡劣的氣候環境正是導致交通事故的主要原因之一。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。
毫米波在雷達中應用的主要限制有:雨、霧和濕雪等高潮濕環境的衰減,以及大功率器件和插損的影響會降低毫米波雷達的探測距離;樹叢穿透能力差,相比微波,對密樹叢穿透力低。
毫米波和大多數微波雷達一樣,有波束的概念,也就是發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,導致它優缺點。優點,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。
說起測距的原理,其實也簡單,都是基于TOF(Time OfFlight)原理。雷達工作原理與聲波的反射情形十分類似,差別只在于其所使用的波是一個頻率很高的無線電波,而非聲波。雷達的發射機相當于發出喊叫聲的聲帶,可以發出類似喊叫聲的電脈沖(Pulse),雷達的指向天線就好像喊話筒,使電脈沖的能量,能集中某一方向發射。接收機的作用則與人耳相仿,用以接收雷達發射機所發出電脈沖的回波。
毫米波雷達測速和普通雷達一樣,有兩種方式,一個基于多普勒效應(Dopler Effect)原理。所謂多普勒效應就是,當聲音,光和無線電波等振動源與觀測者以相對速度V相對運動時,觀測者所收到的振動頻率與振動源所發出的頻率有所不同。因為這一現象是奧地利科學家多普勒最早發現的,所以稱之為多普勒效應。也就是說,當發射的電磁波和被探測目標有相對移動、回波的頻率會和發射波的頻率不同。
當目標向雷達天線靠近時,反射信號頻率將高于發射機頻率;反之,當目標遠離天線而去時,反射信號頻率將低于發射機率。由多普勒效應所形成的頻率變化叫做多普勒頻移,它與相對速度V成正比,與振動的頻率成反比。如此,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,也就是目標與雷達的相對速度。根據發射脈沖和接收的時間差,可以測出目標的距離。同時用頻率過濾方法檢測目標的多普勒頻率譜線,濾除干擾雜波的譜線,可使雷達從強雜波中分辨出目標信號。所以脈沖多普勒雷達比普通雷達的抗雜波干擾能力強,能探測出隱蔽在背景中的活動目標。脈沖多普勒雷達于20世紀60年代研制成功并投入使用。
目前市面上的毫米波雷達有 24GHz,77GHz 兩種規格。其中,77GHz 毫米波雷達主要用在車的正前方,用于對中遠距離物體的探測,24GHz 毫米波雷達一般被安裝在車側方和后方,用于盲點檢測,輔助停車系統等。
雷達的工作體制主要分為脈沖方式和連續波方式。連續波(ContinuousWave:CW)雷達是指發射連續波信號,主要用來測量目標的速度。如需要同時測量目標的距離,則需要對發射信號進行調制,例如對連續波的正弦波信號進行周期性的頻率調制。而脈沖雷達發射的波形是矩形脈沖,按一定的或者交錯的重復周期工作。
同時在近程雷達系統或者次級雷達中,連續波雷達和脈沖雷達相比具有獨特的優點:特別是隨著當今世界微波固態器件的發展,利用連續波雷達能使雷達更為簡單,其原因在于連續波雷達的發射機無需甚高壓,不會產生高壓打火,并且調制信號可以多樣化,這在相同體積和重量下有利于發射機的提高。這樣,連續波雷達可以做到體積小、重量輕、發射機容易實現而且饋線損耗也較低。