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本期文章是翻译《现代汽车雷达应用》的第六期，这本书我感觉将来会成为经典的，特别适合学习毫米波雷达的初学者，本书会全部翻译。虽然目前翻译的内容都比较基础，但是为了系统性，需要耐心，让我们一步步来，敬请关注！
《Modern Radar for Automotive Applications》
《现代汽车雷达应用》译文
第2章 汽车雷达系统原理（2.6小节）
2.6 雷达设计注意的情况
之前的章节简要概述了汽车雷达的基本原理，没有看过的读者可以在本文末尾点击查看。在设计雷达系统时，有几个方面是必不可少的，它们决定了雷达系统的关键性能，本节将以 FMCW 雷达为例来讨论这些设计注意事项。
2.6.1 灵敏度
雷达的灵敏度定义了在一定的 和
灵敏度的分析从雷达探测距离式（2.21）开始，假设接收机通道中的总增益为
另一方面，根据式 (2.34)，基带上的噪声功率为:
因此，可以得到信噪比为:
（）其中 ， 是信号处理增益， 是信号处理损耗。
对于 FMCW 雷达， 主要来自“快时间”和“慢时间”的 DFT，通过距离-多普勒处理，总信号处理增益 ，其中 N 是“快时间”上的 DFT 大小，M 是“慢时间”上的 DFT 大小，它们也分别称为距离和多普勒单元的个数。关于 的产生，原因之一是在 DFT 之前对数据应用的窗函数（截断效应），另外的原因比如跨bin损失（栅栏效应）。
对于汽车雷达的设计，通常会针对具体情况提出需求。例如，汽车制造商需要一个前向雷达来支持其自动紧急制动功能，这要求雷达在一定距离内以超过 50% 的检测概率 和 的虚警率 （ ) 检测出行人。行人通常被识别为 Swerling I 目标，从表 2.6 中，Swerling I 目标实现 和
（）雷达设计者的主要任务之一是在式 (2.104) 中的参数之间找到良好的平衡。 是常数， 由雷达工作频率决定，也可以看作一个常数。发射功率 和噪声系数NF通常由雷达收发芯片决定，通常受制造工艺的限制。 和 取决于天线设计，还需要考虑最大天线增益和波束覆盖范围（天线波束宽度）之间的权衡。 和 是与雷达波形设计和数字信号处理相关的参数。
2.6.2 距离/多普勒覆盖范围
雷达的探测距离可以由式 (2.46) 以及 (2.105) 确定。从 式(2.46) 可知，当
（）这个最大距离是基于波形和采样率，与灵敏度无关。采用单通道基带（没有I/Q基带，实信号），则最大探测距离减小了一半：
（）因此，对于单通道基带信号（单天线），雷达的实际探测范围是：
对于多普勒覆盖，当
（） 也被称为最大无模糊速度，因为
2.6.3 距离/多普勒分辨率
雷达的目标分辨率是区分距离或多普勒距离非常近的目标的能力。对于 FMCW 雷达，目标的距离可以从式 (2.69) 中获得，距离分辨率
（）由于
（）与距离分辨率相似，多普勒(速度)分辨率
值得注意的是，式 (2.112) 和 (2.114) 中的 和 是在点目标大小相同、高信噪比和矩形窗口的理想条件下推导出来的。在真实场景中，距离和多普勒分辨率将受到各种因素的影响。例如，如果目标的大小不同，则更难区分较小的目标和较大的目标。另一个例子是，某些窗函数可以用于距离多普勒处理，以实现合理的旁瓣电平，但这通常会增加主瓣宽度，降低距离和多普勒分辨率[30]。
2.6.4 相位噪声(重点内容)
完美的正弦波只有在教科书上才有，所有自然和人造振荡器都存在相位和频率不稳定性，这些不稳定性被称为相位噪声。相位噪声与振荡器的材料、结构设计以及振荡器中的随机噪声现象有关。图 2.28(A) 说明了一般振荡器的频谱，其中 ， 是中心频率或载波频率，相位噪声的功率随着频率偏移
群友关于相位噪声产生的回答：对射频端来说，主要是锁相环的载波跟踪精度，取决于环路带宽、鉴相器和滤波器能力，对混频后的中频信号来说，相噪主要取决于收发本振信号源相噪的相关性，相关性越好，中频相噪越低。
频谱的相位噪声可以分为两部分，即近载波相位噪声和远载波相位噪声。对于汽车雷达，通常使用 PLL 来合成波形。图 2.28(B) 说明了 PLL 的典型频谱，在图 2.28(B) 中可以看到一个基地电平(pedestal)，这是由于基于 PLL 的合成器具有有限环路带宽，或者是由于系统中用于倍频的倍频器链的有限带宽。在参考文献[31–33]中可以找到对倍频下噪声基地电平(noise pedestal)的详细分析。
在雷达的接收通道中，混频器可以增加或消除接收信号中的相位噪声。当两个输入信号相干时，即它们彼此具有确定的相位关系时，就会发生相位噪声相消。在其他工作中，混频器的输入信号来自相同的参考源。在汽车雷达系统中，混频器将传输信号与延时信号混合，这会导致相位噪声去相关[34，35]：
（）相位噪声去相关因子为 ，如式 (2.115) 所示。可以看出，当 时，可以完全消除相位噪声，随着 的增加，
为了更好地说明相位噪声在汽车雷达中的影响，在仿真中使用雷达收发机的实测相位噪声数据。图 2.29 是测得的相位噪声，在此图中可以清楚地看到相位噪声基地电平。
仿真出来的距离像如图 2.30 和 2.31 所示，目标分别位于 80 m 和 150 m。距离像是 128 个chirp的平均值，以获得基地噪声(noise floor)的形状。如式 (2.115) 所示，相位噪声在距离像中引入了肩部(shoulder)。肩部随着目标距离的增加而变高，因为去相关随着
在汽车雷达应用中，肩部越高意味着动态距离越小，在这种情况下，可能无法检测到大目标旁边的小目标。例如，汽车前面的行人可能会被相位噪声肩部掩盖。因此，雷达信号发生器必须具有低相位噪声以保持足够的动态距离。（这下知道应该怎么设计雷达了吧）
关于相位噪声这方面的内容后面会单独讲讲论文。
2.6.5 线性调频信号的非线性
用于测距的汽车雷达的另一个主要干扰是线性调频信号的非线性，理想的 FMCW 雷达具有完美的线性调频，可以表示为：
（）其中， K 是chirp (线性调频信号)的斜率。然而，在实际信号合成器中总是存在频率偏差。图 2.32 显示了 24 GHz 的chirp与理想的chirp相比存在轻微的偏差。
基带频率和目标的距离精度取决于频率斜坡(frequency ramp)中的非线性类型，因此，线性调频非线性带来的影响应该逐个评估。例如，参考文献[36]中描述了具有正弦偏差的非线性频率斜坡的影响。参考文献[37]中，在 FMCW 雷达中评估了自由运行的压控振荡器的方差。由于难以分析确定线性调频非线性的影响，雷达设计人员通常将测量和仿真相结合的方法来分析线性调频非线性的影响。
现代先进的信号和频谱分析仪器，例如 Keysight 89,601BHPC 和 Rohde & Schwarz FSW 信号和频谱分析仪，能够直接测量频率与时间的暂态波形。因此，雷达设计师可以利用雷达仿真中测量的波形来评估非线性造成的影响。
对于图 2.32 中的测量波形，可以使用通用 CW 发射信号 (2.13) 从频率随时间变化的瞬态波形创建时域发射信号。根据感兴趣的距离，对式 (2.42) 施加一定的时延，得到基带信号进行评估。仿真得到的距离像示例如图 2.33 所示，其中三个目标分别位于 30、95 和 200 m处，具有不同的 RCS 值。非线性的影响在图 2.33 中很明显，其中目标波束宽度随着距离的增加而变宽，这会降低距离辨别力和距离精度，随着距离的增加，信噪比也会降低。因此，在汽车雷达设计中，线性调频信号必须具有良好的线性，以在整个距离覆盖范围内保持雷达的性能。
【本期结束】
参考文献见原文，若有翻译不合适的地方，还望读者指出！