1：什么是雷达？

“RADAR”是无线电探测和测距的首字母缩写，这是一种使用 无线电波确定物体的范围、角度或速度的物体探测系统。雷达系统由一个在无线电或微波领域产生电磁波的发射器、一个发射天线、一个接收天线（与发射天线分开或相同，用于捕获发射信号路径上物体的任何回波）、一个接收器和一个处理器组成，以确定物体的属性。

2：雷达有哪些不同类型？

雷达根据其功能进行分类，如图1所示。

图1 雷达的分类

主雷达和次级雷达系统：主雷达发射电磁信号并接收其发射的相同信号的反射。在次级雷达中，当发射的信号击中目标时，目标会使用应答器以编码信号做出响应。

脉冲 和连续 波 (CW) 雷达系统：脉冲雷达发射高功率信号，等待收集反射信号，再发射下一个信号。然而，连续波雷达始终发射已知稳定频率的连续波。

调制雷达：调制雷达，也称为调频连续波 (FMCW) 雷达，是一种使用称为调频的技术来测量目标范围的系统。在频率调制中，电磁波的频率随时间线性增加。这种频率随时间线性增加的信号称为线性调频信号。FMCW 系统测量发射和反射信号频率之间的瞬时差Δf ，该频率差与反射啁啾的时间差Δt成正比。利用时间差来计算目标距离。英飞凌XENSIV™ BGT60TR13C MMIC是 60 GHz FMCW 雷达的一个例子。

非调制雷达：非调制连续波雷达通过计算反射信号的多普勒频移来测量目标距离的瞬时变化率。多普勒频移是一种现象，电磁波的频率由于发射器、目标或两者的移动而发生变化。脉冲多普勒雷达具有与始终启用的多普勒雷达相同的功能，但仅在短脉冲周期内处于活动状态（像脉冲雷达一样），同时对雷达数据进行采样以节省电力。英飞凌的DEMO SENSE2GOL PULSE和DEMO BGT60LTR11AIP是典型的脉冲多普勒雷达系统。

3：雷达系统的主要组成部分有哪些？

典型的雷达系统由发射器、接收器、射频发生器、放大器、混频器和模数转换器 (ADC) 组成，如图 2 所示。

图2 雷达系统框图

射频发生器产生的电磁波被放大，然后通过发射天线发射。波以恒定的速度在空气中传播，大约等于光速，一旦击中目标就会反射。反射信号由接收器收集、放大并馈送到混频器，在那里与发射信号混合。混频器产生的信号称为中频（IF）信号，其瞬时频率等于两个输入信号的瞬时频率之差，相位等于两个输入信号的相位差。IF信号通过ADC进行数字化，可以由计算机进一步处理。

4：什么是多普勒效应？

当波发生器（声音、微波、光等）发射波阵面时，多普勒效应就会发挥作用击中移动的目标。根据该物体的运动方向，波阵面要么被压缩，要么被稀释，这最终意味着频率的偏移。在一个相对简单的混频器中，从不变的发射信号中减去频率发生偏移并被反射的信号（也称为零差混频），得到正弦中频 (IF)。请注意，传感器相对于物体移动或物体相对于传感器移动都没有关系。图3说明了多普勒效应。

图3 多普勒效应

图 3中频率的变化是多普勒效应的结果，频率变化称为多普勒频率。

5：雷达可以使用哪些频率？

雷达系统的工作频率低至 3 MHz，高至 300 GHz；激光雷达的工作频率为 10 12至 10 15 Hz 数量级，对应的波长为 0.3 至 30 μm 数量级。然而，大多数雷达工作在约 200 MHz 至约 95 GHz 的微波频率区域，对应的波长为 0.67 m 至 3.16 mm。在 3 MHz 至 300 GHz 的整个雷达频率频谱中，国际协议为特定雷达操作分配了特定频率。雷达频率基于应用的分类如表 1所示。

表1 雷达频率按应用分类

应用

频率

波长

多种类的

200GHz

150 µm

车载

77 GHz

3.9 mm

消费/工业

60 GHz

5 mm

消费/工业

24 GHz

1.25 cm

超宽带

9 GHz

3.3 cm

LTE 高级版

6 GHz

5 cm

微波炉

2.4 GHz

12.5 cm

英飞凌的毫米波 (mmWave) 雷达产品组合旨在支持广泛的工业、消费和汽车应用，提供支持 24 GHz、60 GHz 和 77/79 GHz 的 FMCW 和多普勒雷达传感器。

6：英飞凌雷达有哪些应用？

英飞凌的雷达传感器广泛应用于 汽车 和 物联网应用。最常见的是，雷达传感器用于运动检测触发系统，例如 室内和室外照明解决方案、自动门、摄像头和 安全系统或 智能家居设备。此外，通过应用雷达传感器和运动传感器 IC，可以确保物体检测，因为它们可以确定移动物体的方向、物体的速度、距离，甚至根据天线配置，还可以确定移动物体的位置。

图4 雷达应用

7：各种雷达处理技术及其功能有哪些？

通常采用的雷达处理技术（也称为雷达工作模式）主要有三种：多普勒、频移键控（FSK）和调频连续波（FMCW）。它们的主要区别在于，用于撞击目标的传输信号类型不同，如图 5所示。

图 5 雷达工作模式

在多普勒模式下工作的雷达将发射恒定频率信号以获取目标信息，而在 FSK 模式下工作的雷达将发出脉冲，至于 FMCW 模式，发射信号将为啁啾的形式（上升频率斜率称为上啁啾，下降频率斜率称为下啁啾；信号可以是任何一种类型的啁啾或两者的组合）。此外，脉冲重复时间 (PRT) 表示 FSK 中脉冲序列重复的持续时间。类似地，在 FMCW 模式下，啁啾重复时间 (CRT) 表示啁啾序列重复的持续时间。

图6显示了不同的雷达处理技术及其功能。

图6 雷达处理技术和能力

8：雷达运行的基本方程是什么？

在雷达系统中，电磁波从发射天线发射并在空间中传播，直到击中目标。发射的电磁波随后被目标反射，并被接收天线接收。为了检测到这个反射信号，它必须高于雷达系统可检测到的最小信号。通常将该最小信号与噪声水平进行比较，该比率称为最小信噪比 (SNR min )。接收到的信号功率量对于雷达的运行至关重要，因为它决定了可探测目标和不可探测目标之间的差异。该值由基本雷达方程控制，其公式如下：

即

P rx是发射信号撞击目标后接收信号的功率

P tx是发射信号的功率

G tx和 G rx分别是发射机和接收机天线的增益

R 是雷达与目标之间的距离

λ 是发射信号的波长

σ 是目标的横截面积

雷达方程显示了接收功率是如何由多个变量控制的。正如预期的那样，功率随着距离的增加而迅速下降，取决于以下变量 。功率还受 G tx和 G rx控制，它们是天线效率的衡量标准，以及天线将能量集中在目标方向上的程度。

此外，不同的目标对电磁波的反射也不同。较大的金属物体比小网球反射的能量多得多。这是通过雷达截面项 σ 的方程来解释的。此外， λ 2 显示了接收功率对波长和频率的依赖性。考虑到这个方程，这意味着频率越高，接收到的功率越低。

9：什么是距离分辨率以及如何确定它？

距离分辨率是雷达系统区分位于同一方位但距离不同的两个或多个目标的能力。系统中使用的调制带宽（BW）决定了范围分辨率。对于 24 GHz 和 250 MHz BW，范围分辨率为 c /(2*BW) = 3x108 / (2*250 MHz) = 60 cm。

10：距离分辨率与距离精度有何不同？

准确度或范围测量准确度取决于系统设计的优劣。准确度是指当您测量一个物体时，如果物体移动一小段距离，例如 10 厘米，雷达可以有一定的容差测量这种变化。它的特点是均方根值 (RMS) 测量，主要受信噪比 (SNR) 相关误差的影响。可以通过优化信噪比、提高采样分辨率和速率来提高准确度。

11：从雷达获得的I和Q信号是什么？

雷达和电气工程领域的 IQ 信号是具有相同幅度和频率但彼此相差 90° 或四分之一周期的信号。

图7 IQ信号

雷达系统要么有真正的接收级，要么有复杂的接收级。真实级将只有接收信号的一个分量，而复级将产生I和Q分量。生成 IQ 信号并将其用于进一步分析有几个优点，但是，对于多普勒雷达而言，IQ 信号具有更基本的用途。

由于多普勒雷达接收器中使用的真实混频器将产生没有方向或符号的绝对频移，因此无法确定目标的行进方向。使用可生成 I 和 Q 信号的 IQ 混频器，并通过检查哪个信号在相位上领先，可以确定传播方向。

12：决定特定距离内的目标是否能被雷达识别的因素有哪些？

雷达对特定距离内目标的识别主要取决于目标的雷达截面 (RCS)、目标根据发射能量反射回雷达能量的程度以及系统发射的能量 (EIRP)。

13：雷达可以获得什么样的角度覆盖？

雷达可以获得的角覆盖范围取决于天线及其从传感器向外辐射的设计方式。天线具有一定的角度覆盖，可以通过其辐射方向图或极坐标图获得。从这些数据中，您可以检查天线的效率以及其增益和半功率波束宽度。

14：英飞凌为工业、消费和物联网应用提供 24 GHz 和 60 GHz 传感器。哪些因素决定了特定应用应使用哪种传感器？

在雷达 24 GHz 范围内，FMCW 雷达操作的带宽覆盖受监管的 ISM 频段内的 250 MHz。在雷达 60 GHz 范围内，高达 7 GHz 的未经授权的超宽带可用于短距离应用。因此，60 GHz FMCW IoT 雷达系统可以提供更好的分辨率，从而允许人体跟踪和划分区域等其他用例。由于微运动检测，物联网雷达技术甚至能够实现手势感应、材料分类或各种生命功能（呼吸、心跳甚至血压）的监测。图 8显示了选择适合应用的雷达时可以考虑的一些参数。

图 8 24 GHz 与 60 GHz 雷达传感器的特点

15：影响雷达最大探测距离的因素有哪些？

频率、峰值功率、脉冲长度和光束宽度是决定雷达最大探测范围的一些因素。雷达频率越高，衰减也越高。实际上，较低的雷达频率更能够提供更高的探测范围。雷达的峰值功率是其有用功率。雷达的探测范围随着峰值功率的增加而增加。脉冲长度对雷达的探测距离也有直接的影响，因为脉冲长度越大，发射的能量就越大。至于光束宽度，光束越集中，检测范围就越大。

16：雷达如何测量目标的距离、速度和角度？

通过测量发射信号的时间延迟（）、多普勒频移（）以及具有足够信噪比（SNR）的多个接收通道之间的相位差（），我们可以估计目标的距离、多普勒速度和角度，如图 9 所示。

图 9 雷达的测量范围、速度和角度

17：雷达传感器与其他探测技术相比有哪些优势？

如图 10所示，雷达传感器与红外、超声波和激光传感器相比，具有替代技术所不具备的独特优势。

图 10 技术比较

18：雷达中的阈值有什么意义？

检测阈值是雷达的一个重要参数，是判断目标是否存在的主要决定因素。根据检测阈值对接收雷达信号进行分类如图11所示。

图11 雷达检测阈值概念

参考资料：

英飞凌雷达传感器

英飞凌产品选择指南

XENSIV™ BGT60TR13C MMIC

DEMO SENSE2GOL PULSE

DEMO BGT60LTR11AIP

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