車載毫米波雷達(dá)的設(shè)計(jì)的諸多挑戰(zhàn)來自于硬件和軟件兩個(gè)方面。對(duì)于軟件方面，挑戰(zhàn)集中于波形設(shè)計(jì)，信號(hào)處理和數(shù)據(jù)處理三個(gè)方面。通常雷達(dá)依據(jù)距離的探測(cè)應(yīng)用需求分為近距離（SRR），中距離（MRR）和遠(yuǎn)距離雷達(dá)（LRR）三種。在確定好應(yīng)用需求之后，下一步便是確認(rèn)可探測(cè)目標(biāo)的距離，速度，角度的范圍和分辨率。針對(duì)這些要求需對(duì)波形進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)，同時(shí)這也最終將決定天線的設(shè)計(jì)和布局。

波形的設(shè)計(jì)包含：調(diào)制類型及參數(shù)，帶寬，信號(hào)發(fā)射和接收方法。波形不僅確定了處理接收信號(hào)采用何種算法，同時(shí)直接影響系統(tǒng)硬件的成本和復(fù)雜度。通常來說，雷達(dá)波形分為連續(xù)波和脈沖波。連續(xù)波一般需要分離的發(fā)射和接收天線。收發(fā)隔離的要求限制了發(fā)射功率，不過距離探測(cè)性能較好。另一方面對(duì)于脈沖信號(hào)，同一天線可以用于發(fā)射和接收，對(duì)功率要求有所降低，不過會(huì)導(dǎo)致距離盲區(qū)。在選擇波形時(shí)，適當(dāng)?shù)耐讌f(xié)是需要的。當(dāng)然，在通信系統(tǒng)中，對(duì)于選定的波形，幅度、相位、頻率調(diào)制可以進(jìn)一步應(yīng)用其中。另外，極化的選擇也會(huì)對(duì)信號(hào)接收帶來較大的影響。

下面步入正題，本文將車載毫米波雷達(dá)領(lǐng)域最為常用的波形進(jìn)行逐一的科普性介紹。

1.    連續(xù)波 - CW（Continuous Waveform）

波形如圖1所示。連續(xù)波有較好的多普勒分辨率（速度分辨），但不能解析距離。頻率分辨率為：

圖1. 連續(xù)波（CW）時(shí)域波形

2.    脈沖多普勒雷達(dá)波形 - Pulse DopplerRadar(PDR)

波形如圖2所示，脈沖多普勒雷達(dá)可以同時(shí)測(cè)量距離和速度，并具有較好的距離和速度分辨率。相應(yīng)的距離和速度分辨為：

其中Tp為脈沖寬度，c為光速，Np為脈沖數(shù)量。

圖2.脈沖多普勒雷達(dá)時(shí)域波形

3.    頻率調(diào)制連續(xù)波 - Frequency-ModulatedCW (FMCW)

FMCW是車載毫米波雷達(dá)領(lǐng)域最為常用的波形。這種波形可以同時(shí)估計(jì)距離和速度，對(duì)硬件的要求相對(duì)低。上面提到的脈沖多普勒雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)相同的功能，不過對(duì)硬件的需求相對(duì)較高。FMCW的變種較多，下面逐一介紹。

3.1  線性頻率調(diào)制連續(xù)波 - linearfrequency-modulated CW (LFMCW)

如圖3所示，LFMCW體制雷達(dá)的頻率與時(shí)間呈線性關(guān)系，上掃頻和下掃頻構(gòu)成對(duì)稱三角波形。發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)如圖3（a）所示，紅色線為發(fā)射信號(hào)，藍(lán)色線為目標(biāo)的回波信號(hào)。圖3（b）為發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)的頻率差值信號(hào)，通常稱差頻或者差拍信號(hào)。

圖3. 線性頻率調(diào)制連續(xù)波時(shí)間頻率域波形

距離導(dǎo)致回波的時(shí)間延時(shí)，速度會(huì)引起多普勒頻移，收發(fā)信號(hào)混頻后獲得的差拍信號(hào)頻率由以下距離和速度引起的頻偏共同決定。

對(duì)于LFMCW上掃頻和下掃頻，滿足如下關(guān)系：

聯(lián)立(4)～(7)可得目標(biāo)的距離和速度，如下所示。

對(duì)于單目標(biāo)場(chǎng)景，距離和速度可由上式無模糊的解析出來。對(duì)于多目標(biāo)的情況，如何匹配同一目標(biāo)的正負(fù)向差頻頻率是一個(gè)難點(diǎn)。配對(duì)模糊會(huì)導(dǎo)致本來不存在的目標(biāo)被解析出來，導(dǎo)致鬼影（ghost）的產(chǎn)生。鬼影對(duì)于車載雷達(dá)來說是一個(gè)嚴(yán)重的問題，會(huì)導(dǎo)致對(duì)目標(biāo)位置的錯(cuò)誤判斷從而導(dǎo)致嚴(yán)重的問題。解決此問題需要結(jié)合其他的調(diào)制方式，比如可通過擴(kuò)展其單個(gè)周期的波形序列的方法。如圖5所示，一個(gè)周期內(nèi)的發(fā)射信號(hào)由兩段或更多不同斜率的信號(hào)組成，但這將增加系統(tǒng)的測(cè)量時(shí)間和算法的復(fù)雜程度。

圖4.頻率配對(duì)模糊引起鬼影 (a) 單目標(biāo)情況，距離和速度可以無模糊的解析； (b) 多目標(biāo)情況，多個(gè)目標(biāo)差頻信號(hào)的多個(gè)交點(diǎn)引起鬼影

圖5.多序列LFMCW波時(shí)間頻率域波形

3.2  步進(jìn)FMCW波 - Stepped FMCW

波形如圖6所示，步進(jìn)FMCW為一列頻率步進(jìn)的階梯波形，每一階的頻率值恒定。此種波形特點(diǎn)是信號(hào)處理過程簡單，目標(biāo)的距離信息可由相位信息獲得，對(duì)于距離R處的目標(biāo)，采用兩階頻率為f1和f2波形， 響應(yīng)的相位關(guān)系如下：

其中fstep表示步進(jìn)頻率。可獲得目標(biāo)距離：

最大模糊距離取決于fstep，以fstep = 5MHz為例，取相位最大2л。對(duì)應(yīng)的最大可探測(cè)距離為：

圖6. 多序列LFMCW波時(shí)間頻率域波形

3.3  多階頻移鍵控波形 - Multi-frequency Shift Keying (MFSK)，又名LFM+FSK波形

如圖6所示，兩組互相嵌入的步進(jìn)序列A和B, A和B序列有固定的頻率偏移量。MFSK波形可以同時(shí)測(cè)量目標(biāo)距離和速度信息，而不需進(jìn)行頻率配對(duì)從而避免產(chǎn)生鬼影。基于A，B序列回波差頻信號(hào)的相位差值和跳頻可以計(jì)算目標(biāo)距離：

其中，

差拍信號(hào)頻率偏移由速度和距離共同引起，經(jīng)FFT變換可得峰值點(diǎn)位置滿足：

聯(lián)立兩式可同時(shí)獲得速度和距離：

其中N表示傅里葉變換的采樣點(diǎn)數(shù)，由于每一階梯對(duì)應(yīng)的差拍信號(hào)通常只采一個(gè)點(diǎn)，因此也等于A或B序列的階梯數(shù)。

圖7.多階頻移鍵控時(shí)間頻率域波形

3.4  中斷FMCW波 - Interrupted FMCW (FMICW)

考慮收發(fā)隔離的問題，中斷FMCW波應(yīng)運(yùn)而生，如圖8所示。具體方式為分時(shí)的使能發(fā)射和接收通道，從而實(shí)現(xiàn)兩通道的隔離，解決互耦導(dǎo)致的近距離盲區(qū)，軍用雷達(dá)一般采用此種方式。

圖8.中斷FMCW波時(shí)間頻率域波形

如圖所示，對(duì)于靠近的目標(biāo)，回波延時(shí)很小不易識(shí)別從而引起近距離目標(biāo)盲區(qū)。對(duì)于遠(yuǎn)距離處的目標(biāo)，如果回波延時(shí)大于超出對(duì)應(yīng)周期的接收時(shí)間會(huì)導(dǎo)致距離模糊。因此需在兩者間權(quán)衡。當(dāng)目標(biāo)的回波延時(shí)是發(fā)波開關(guān)周期的整數(shù)倍時(shí)，接收信號(hào)功率為零，導(dǎo)致距離盲區(qū)，為了避免此現(xiàn)象，開關(guān)時(shí)間頻率fs應(yīng)該滿足條件。

FMCIW波形在自動(dòng)巡航（ACC）雷達(dá)中有一些應(yīng)用。原因在于此類雷達(dá)通常采用FMCW波形，同時(shí)減少近距離雜波并增大最大探測(cè)距離很重要。

3.5  快掃序列 - Fast Chirp Ramp Sequence Waveform

如上所述，LFMCW波形在車載雷達(dá)中應(yīng)用廣泛，但其主要的缺點(diǎn)在于多目標(biāo)場(chǎng)景下，需要對(duì)每個(gè)目標(biāo)的速度和距離進(jìn)行正確配對(duì)從而避免鬼影。為了避免這個(gè)問題，當(dāng)前主流的有兩種波形，一種是上面提到多階頻移鍵控波形，另一種則是快掃序列，如圖9所示。

圖9.快掃序列時(shí)間頻率域波形  

圖中一個(gè)單邊的上掃頻信號(hào)稱為一個(gè)Chirp，其重復(fù)周期Tp，一個(gè)周期（一幀）包含K個(gè)Chirp。差拍信號(hào)表示為：

其中N為單個(gè)Chirp采樣點(diǎn)數(shù)，fd和fr分別為距離和速度引起的頻率偏移。對(duì)上式進(jìn)行1D FFT （距離維 FFT），結(jié)果如下：

頻率峰值點(diǎn)位置：

對(duì)上式進(jìn)行2D FFT（多普勒維 FFT）：

頻率峰值點(diǎn)位置：

距離和速度的解析通過二維的FFT解析獲得。進(jìn)一步的，通過對(duì)多個(gè)接收天線進(jìn)行第三維的FFT可以獲得目標(biāo)角度信息，如圖10所示。當(dāng)然，對(duì)于目標(biāo)角度的估計(jì)，方法和種類繁多，有更為專業(yè)的名字統(tǒng)稱波達(dá)角估計(jì)（Direction of Arrival）。舉例來說如24GHz雙天線體制，通常采用兩個(gè)接收天線進(jìn)行相位減法后求得目標(biāo)角度。對(duì)于77GHz頻段，通常采用的方法有FFT，DBF（數(shù)字波束形成），Capon波束形成，MUSIC（多重信號(hào)分類），ESPRIT（基于旋轉(zhuǎn)不變技術(shù)的信號(hào)參數(shù)估計(jì)）。前兩者為常規(guī)的物理分辨，提高角度分辨率的方法為增大天線口徑，或者等效的增加天線數(shù)量（MIMO）。后者為超分辨的方法，不過多的受限于天線數(shù)量。

圖10.快掃序列3D數(shù)據(jù)矩陣

最后，需要指出在波形設(shè)計(jì)的過程中，會(huì)涉及到波形，天線配置，信號(hào)處理算法的多輪迭代直到其綜合滿足目標(biāo)的探測(cè)應(yīng)用需求。有時(shí)會(huì)是一比較耗時(shí)的過程。