車載毫米波雷達(dá)的設(shè)計的諸多挑戰(zhàn)來自于硬件和軟件兩個方面。對于軟件方面，挑戰(zhàn)集中于波形設(shè)計，信號處理和數(shù)據(jù)處理三個方面。通常雷達(dá)依據(jù)距離的探測應(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)可探測目標(biāo)的距離，速度，角度的范圍和分辨率。針對這些要求需對波形進(jìn)行定制化設(shè)計，同時這也最終將決定天線的設(shè)計和布局。

波形的設(shè)計包含：調(diào)制類型及參數(shù)，帶寬，信號發(fā)射和接收方法。波形不僅確定了處理接收信號采用何種算法，同時直接影響系統(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，不過距離探測性能較好。另一方面對于脈沖信號，同一天線可以用于發(fā)射和接收，對功率要求有所降低，不過會導(dǎo)致距離盲區(qū)。在選擇波形時，適當(dāng)?shù)耐讌f(xié)是需要的。當(dāng)然，在通信系統(tǒng)中，對于選定的波形，幅度、相位、頻率調(diào)制可以進(jìn)一步應(yīng)用其中。另外，極化的選擇也會對信號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)可以同時測量距離和速度，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。這種波形可以同時估計距離和速度，對硬件的要求相對低。上面提到的脈沖多普勒雷達(dá)可以實現(xiàn)相同的功能，不過對硬件的需求相對較高。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)的頻率與時間呈線性關(guān)系，上掃頻和下掃頻構(gòu)成對稱三角波形。發(fā)射信號和接收信號如圖3（a）所示，紅色線為發(fā)射信號，藍(lán)色線為目標(biāo)的回波信號。圖3（b）為發(fā)射信號與回波信號的頻率差值信號，通常稱差頻或者差拍信號。

圖3. 線性頻率調(diào)制連續(xù)波時間頻率域波形

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

對于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。

對于單目標(biāo)場景，距離和速度可由上式無模糊的解析出來。對于多目標(biāo)的情況，如何匹配同一目標(biāo)的正負(fù)向差頻頻率是一個難點。配對模糊會導(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。鬼影對于車載雷達(dá)來說是一個嚴(yán)重的問題，會導(dǎo)致對目標(biāo)位置的錯誤判斷從而導(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)展其單個周期的波形序列的方法。如圖5所示，一個周期內(nèi)的發(fā)射信號由兩段或更多不同斜率的信號組成，但這將增加系統(tǒng)的測量時間和算法的復(fù)雜程度。

圖4.頻率配對模糊引起鬼影 (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，多個目標(biāo)差頻信號的多個交點引起鬼影

圖5.多序列LFMCW波時間頻率域波形

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。此種波形特點是信號處理過程簡單，目標(biāo)的距離信息可由相位信息獲得，對于距離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。對應(yīng)的最大可探測距離為：

圖6. 多序列LFMCW波時間頻率域波形

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波形可以同時測量目標(biāo)距離和速度信息，而不需進(jìn)行頻率配對從而避免產(chǎn)生鬼影。基于A，B序列回波差頻信號的相位差值和跳頻可以計算目標(biāo)距離：

其中，

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

聯(lián)立兩式可同時獲得速度和距離：

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

圖7.多階頻移鍵控時間頻率域波形

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)運而生，如圖8所示。具體方式為分時的使能發(fā)射和接收通道，從而實現(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波時間頻率域波形

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

FMCIW波形在自動巡航（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，同時減少近距離雜波并增大最大探測距離很重要。

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，但其主要的缺點在于多目標(biāo)場景下，需要對每個目標(biāo)的速度和距離進(jìn)行正確配對從而避免鬼影。為了避免這個問題，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.快掃序列時間頻率域波形  

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

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

頻率峰值點位置：

對上式進(jìn)行2D FFT（多普勒維 FFT）：

頻率峰值點位置：

距離和速度的解析通過二維的FFT解析獲得。進(jìn)一步的，通過對多個接收天線進(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，對于目標(biāo)角度的估計，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（Direction of Arrival）。舉例來說如24GHz雙天線體制，通常采用兩個接收天線進(jìn)行相位減法后求得目標(biāo)角度。對于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（多重信號分類），ESPRIT（基于旋轉(zhuǎn)不變技術(shù)的信號參數(shù)估計）。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)計的過程中，會涉及到波形，天線配置，信號處理算法的多輪迭代直到其綜合滿足目標(biāo)的探測應(yīng)用需求。有時會是一比較耗時的過程。