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前言

现阶段自动驾驶技术中，主要用到的传感器有摄像头、激光雷达和毫米波雷达。
摄像头的光谱从可见光到红外光谱，是最接近人眼的传感器，有丰富的语义信息，在传感器中具有不可替代的作用，比如红绿灯识别、交通标识识别，都离不开摄像头的信息。
激光雷达器件较为成熟，905nm波段广泛应用，能获得丰富的场景立体空间信息。从频谱可以看到，激光在频谱上和可见光较为接近，因此和可见光有着相似的粒子特性，容易受到恶劣天气的影响。
毫米波雷达波长为3.9mm附近，是这几种传感器中波长最长的传感器，全天候性能最好，且具备速度探测优势。

一、4D毫米波雷达是什么？

了解毫米波雷达的同学首先会思考第一个问题：4D指的是什么？
4D 毫米波雷达中的“4D”是指：高度、距离、方位以及速度四个维度。相较传统毫米波雷达，4D 毫米波雷达增加了“高度”维度探测信息的输出。

主流毫米波雷达主要功能为测角、测距与测速，故也称之为3D毫米波雷达。4D毫米波雷达相比传统雷达，增加了俯仰角的测量信息，并且角度分辨率可达到亚度（<1°）级别，能够通过输出大量的测量点清晰地呈现出目标障碍物的轮廓。

二、毫米波雷达是什么？

“雷达”一词源于RAdio Detection And Ranging的缩写Radar的音译。意为"无线电探测和测距"，即用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置。

1936年1月，英国架起了第一个雷达站，用于监测德国战机。从此之后，雷达技术开始蓬勃发展。

汽车上主要使用24G、77G、79G这几个频段。

77GHz雷达系统的波长 λ 为：
λ = c /f = 3.9mm
在77GHz毫米波对应的：
1.大气衰减较小
2.波长短，雷达产品尺寸小
3.可用带宽大

毫米波雷达的基本原理

毫米波雷达通过发射电磁波，以及接收目标反射的电磁波，来实现目标检测。毫米波雷达的探测原理类似蝙蝠，只不过雷达发射的是电磁波，蝙蝠发出的是超声波。

雷达到目标距离R = c*t/2

多普勒效应

如果波源朝着观察者的方向行进，波峰间的距离越来越近（频率向上移动）时，如果波源正在远离观察者，则波峰间的距离越来越远（频率向下移动）。

电磁波的频移 f 可以直接从原始波频率 f0和波源相对于观察者的速度v推导出来，表示如下：f = ( 1 + v/ c ) f 0
多普勒雷达的工作原理是通过发射天线发送一个频率，该频率被目标反射回来，由接收天线捕获。如果目标正在移动，则此接收到的信号频率将根据目标的速度移动。多普勒雷达的接收器使用一个特定的模块（混频器），它根据发射和接收的信号产生输出信号。该模块的输出具有一个频率，该频率等于发射信号和反射信号之间频率的绝对差，也称为多普勒频移。

三、4D毫米波雷达的基本结构

3D毫米波

距离探测：通过计算经过调制的连续调频FMCW信号与回波之间的频率差来计算距离，雷达发射FMCW电磁波，速度为光速。
速度探测：通过多普勒效应探测目标与自车的相对运动速度，如需要目标绝对运动速度，则需要整车提供自车运动速度信息输入进行补偿得到。
方位角探测：通过相位法测角原理，利用不同接收天线阵元间接收回波的相位差计算方位角。

4D毫米波

在4D毫米波雷达中（如右图所示）

它的接收天线是水平直线排列的，这种排列方式使得雷达能够探测到水平方向上的相位方位角信息（左上图中的红色框）。
此外，4D毫米波雷达还利用了MIMO（多输入多输出）技术。在这种技术下，绿色框内的发射天线和红色框的接收阵列协同工作，在垂直方向上形成了一种虚拟孔径阵列，从而实现了高度方向上的测量，能够提供目标的高度信息（左上图中的绿色框）。

对比