TI的FMCW毫米波雷达培训笔记2:FMCW的相位与物体改变距离或速度的关系(雷达小白知识点整理)

TI的FMCW毫米波雷达培训笔记2:FMCW的相位与物体改变距离或速度的关系(雷达小白知识点整理)

参考:

第一期笔记:https://www.cnblogs.com/loveandninenine/p/16816385.html

培训地址:https://training.ti.com/mmwave-training-series

频谱%幅度:https://blog.csdn.net/jackghq/article/details/96577605

傅里叶变换讲解,和TI培训前的傅里叶知识补充差不多:https://www.bilibili.com/video/BV1aW4y1y7Hs/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=920f8a63e92d345556c1e229d6ce363f

首先让我们回顾一下上一期留下的问题,带着问题来看这篇博客:

上一期已经知道,雷达可以通过IF的不同频率来测量物体到雷达的距离,换句话说,距离d决定了IF signal在哪个频段会有高峰。那么,如果恰好距离雷达相同的多个物体需要同时被雷达分辨,那怎么办?答案就是根据不同移动速度来做多普勒。那么不同移动速度如何求呢?这就是本期和下一期的问题。

如上图,我们知道了最终的IF信号的频率和相位都是收发天线信号之差得到的,但是我们在上一节已知了IF频率与物体到雷达距离d之间的关系,所以我们可以直接用d来表示f。那么,相位φ如何表示呢?

当我们让这个物体移动一点△d,也就是多一点延迟△τ:

那么,我们的A相位就会发生偏移△φ,这个偏移是时间和速度(频率)可求的,也就是2πwt,那在这里就是图中的样子,这里的w当然就是光波的频率了,那fc又可以用光的波长λ表示,所以最终的结果就得到了△φ的表示,也就是用这段移动的距离去表示相位差,则相位与物体的移动距离成正比。

最终结果:

这里举了个例子,就是如果物体运动了1mm,IF信号会产生什么变化?

可以看到,一小段距离的改变对相位的影响是一个π那么大,但是对用MHz单位的频率来说只是333Hz,因此可以认为频率对物体的微小运动是不敏感的,但是相位非常敏感。

比较形象的图就是:

那么,如何估算物体的速度呢?

正如上图所示,我们发射两个间隔时间为Tc的波,然后得到两组IF信号做傅里叶变换,这两个变换的结果在频域上应该是几乎相同的(Tc很小),但是二者在相位域是不同的,那么根据这个相位差w,我们就能计算出物体的大概的移动距离是多少,那物体速度v乘以这段时间Tc又等于我们这段距离△d,那把它带入我们上面已知的相位与距离公式,就能得到相位差与物体在这段时间的平均速度v的关系,就可以求得这个物体的平均速度值。

除了速度测量之外,IF信号的相位对微小运动非常敏感这一事实也是有趣应用的基础,如电机的振动监测,心跳监测。下面这幅图描述振荡的物体的时间演化。例如,这可以表示一个振动的物体。这里的假设是,这些运动非常小,所以物体的最大位移δ是波长的一部分(例如,毫米或更小)。如果我们在这个振荡的物体前面放置一个雷达并发射一堆等速chirp会发生什么?这些TX的每一个chirp都会产生一个反射的chirp,处理后的中频信号会在fft范围内产生一个峰值。这个峰值的频率在不同chirp中变化不大。但是峰值的相位会对物体的振荡运动做出反应。

那么,到此,我们已经将不同物体的速度求了出来,就可以尝试回答本博客开始的问题的一半了,但是如何根据速度去区分物体?请看第三期。

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