毫米波雷达(工作在毫米波频段的雷达)

毫米波雷达（英文名：millimeter-wave radar）是工作在毫米波频段的雷达。毫米波雷达主要用于工业自动化、安防、军事、医学等领域。

毫米波雷达从20世纪40年代开始研制，20世纪50年代出现了用于机场交通管制和船用导航的毫米波雷达，20世纪70年代中期以后，毫米波技术研制成功一些较好的功率源:固态器件如雪崩管和耿氏振荡器；热离子器件如磁控管、行波管、速调管、扩展的相互作用振荡器、返波管振荡器和回旋管等。20世纪90年代后，毫米波单片集成电路研制取得重大突破，为毫米波雷达技术奠定了坚实的基础。2024年12月16日，中国科学技术大学陈彦教授团队在无任何模型训练的情况下，利用毫米波雷达技术实现了高精度的非接触人体心脏活动监测。2025年1月31日，南开大学与香港城市大学，研制出薄膜铌酸锂光子毫米波雷达芯片，在毫米波雷达领域取得重大突破。

毫米波位于微波与远红外波相交叠的波长范围，与微波相比，毫米波的分辨率高，指向性好，抗干扰能力强和探测性能好。与红外波相比，毫米波的大气衰减小，对烟雾和灰尘具有更好的穿透性，受天气影响小。毫米波雷达相较微波雷达性能下降，原因有发射机功率低、波导器件损耗大；毫米波雷达与天气关系密切，降雨影响更大；在防空环境中，其易出现距离和速度模糊问题；且毫米波器件昂贵，难以大批量生产装备。

历史沿革

研发背景

1890年，西方国家首次报导毫米波技术方面的活动。从那时起直到20世纪30年代，人们开发了各种毫米波器件和信号源，并测量了许多材料的块状体吸收和光谱学特性。早期用于产生毫米波能量的最重要信号源是瞬态放电产生器，且用辐射仪器或热电堆来检测毫米波能量。1934年，Cleeton和Williams首先采用早期型式的磁控管(而不是瞬态放电产生器)观察到微波或毫米波范围的谐振谱频率。1936年，这类磁控管工作频率可达到47CHz(6.4mm)。

1930年后，各种真空管组态的新射频源陆续研制成功，它们包括速调管和腔体磁控管构成的功率源。这些功率器件构成的源迅速用于第二次世界大战的雷达中，第二次世界大战末期还开发了行波管构成的功率源。

全球

毫米波雷达的研制开始于20世纪的40年代主要应用于船舶导航。受限于当时的集成电路和半导体工艺技术，加上其传输损耗大且工作效率极低，大部分科研公司放弃了毫米波雷达的研发。20世纪50年代出现了用于机场交通管制和船用导航的毫米波雷达。

在20世纪60年代，由于红外与激光技术的起，曾使毫米波雷达技术的发展转入低潮。20世纪70年代，西方人们认识到毫米波雷达相对于微波雷达和光学、红外系统有其自身的特点。这主要是毫米波频段在短距离范围内的全天候与战场环境的适应性。加上毫米波元器件生产与精密加工等困难的克服，使有关毫米波技术及其应用的研究出现新的热潮。20世纪70年代，德国的AEG-Telefunken和博世公司开始投资研发汽车防撞系统，毫米波雷达作为该系统检测的关键传感器得到了重视和发展，但当时落后的科技水平加上毫米波雷达的研发成本品贵，使其无法完成后续发展。1978年，国际雷达会议上，sl Johnston在毫米波雷达的回顾和评述中，例举了第二次世界大战以来的37种Ka频段和28种70GHz~140GHz毫米波军用雷达，用途包括机载测绘学、目标探测和跟踪、导弹寻的器弹药制导以及战区气象、测量等方面。

20世纪80年代，毫米波的一系列技术问题已经或接近解决，并被纳入军备竞赛轨道。美国国防部于20世纪80年代中期制定了一项1GHz~100GHz军用微波/毫米波单片集成电路(MIMIC)高科技研究计划，这一期间出现了数十种毫米波军用雷达系统，用途遍及低空防控、火控、战场监视、机载测绘、导弹寻的器和末制导、精确制导弹药和炮弹药制导、雷达截面积(RCS)缩尺测量、目标搜索和跟踪、战术目标捕获、分类、成像和识别等各方面。20世纪80年代后期，随着欧洲高效安全交通系统计划的开展，毫米波雷达技术在车载研发应用方向获得了发展。

随着汽车行业对交通安全的要求的严格，毫米波雷达检测精度也需要不断提高。智能计算机算法和毫米波雷达结合应用成为21世纪汽车技术的主流方向。2012年，一种基于网格的DBSCAN聚类算法被提出，解决了不同采样方向获取的雷达数据不均匀的问题，且该算法对周围环境的噪声不敏感，通过预先计算空间采用密度和计算不同的位置搜索区域，来解决数据采样密度会随距离变化而改变的问题。改进后的算法使毫米波雷达检测结果具有更好的聚类效果，也大大提高了数据的处理速度。2015年，其对DBSCAN算法进行改进在DBSCAN之前添加了尺寸缩放的预处理技术，找出了距离维和方位维缩放的尺度，实现对运动行人的聚类。2017年，Meinl等人研发了一套具有高信号接收能力的毫米波雷达系统，使各大企业对毫米波雷达的检测原理有了新的认知，为后来的毫米波雷达算法的研发提供了巨大的助力。2018年，Bilik等人研发出了以多射频芯片级联的汽车雷达多输人多输出(Multiple-InputMultiple-Output，MIMO)系统，通过软件与硬件的结合设计，可实现高分辨率成像，适用于复杂的交通状况。俄国计算机系统科学设计局的Belyaey通过实验测试得出77GH毫米波雷达适用于大部分城市环境，进一步推动了77GHz毫米波雷达的技术发展。2019年，Michael等人将雷达点云检测方法与相机图像结合实现深度学习，通过人工标记边界框训练深度卷积神经网络，实现3D目标检测。

中国

中国内对于毫米波雷达的研究相比于欧美等发达国家起步较晚，早期以24GHz毫米波雷达研究为主。1980年，中国在石家庄市召开了第一次有关毫米波雷达的研讨会。此后，许多研究所、高校都进行了毫米波器件和系统的开发研究工作，开发出大批新型毫米波器件，诸如回旋管、EIO、EIA、4mm波绕射振荡器等电真空器件，尤其在回旋管研制中取得了突破性进展，在电子回旋脉塞(ElectronCylotronMaser)的理论与实验研究方面达到了国际先进水平。已研制出一种回旋管，它采用斜旋转轴对称准光学开放式谐振腔，工作在其基频和二次谐波上。同时，中国已经研制成功135GHz的元器件及分系统。此外，Ka频段EIO和EIA的输出功率已达到100W量级，Ka频段速调管的输出功率大于300mW磁控管的脉冲功率达30kW。在W频段，速调管的输出功率为100mW，在固态器件和电路，以及在其它毫米波器件方面也有很大进展。

2012年，工信部发布了《短距离雷达使用频率通知》，规定了24.25~26.65GHz频点用于短距离车载雷达使用。截至2024年，很多中国国内厂商已经研发出国产24GHz毫米波雷达，在77GHz毫米波雷达研究方面依旧处于验证阶段。中国国内对车载毫米波雷达的研究主要集中于高新汽车企业、中科院以及部分高校实验室。2012年，芯片行业的重大改革，降低了毫米波雷达的技术门槛及其技术成本，同时也推动了毫米波雷达在中国国内各领域的应用。加特兰微电子采用世界领先的硅基cmos工艺，实现了极高频率的76~81ghz射频电路集成，并克服多项设计与工程的难题，于2017年全球率先完成毫米波芯片量产测试和车规级认证，推出的业界首款77/79ghz毫米波雷达射频芯片，被多家一级零部件厂商采用，产品搭载于上汽大通汽车有限公司、奇瑞等多家车厂的主力车型，并获得iso 26262功能安全asil b证书。2018年，加特兰第一代的AiP和Alps当时的样片SoC同时问世，实现了毫米波雷达业界通道数量最多的AiP的设计。经历了四代的迭代和优化，AiP在2020年正式进入量产。

构成及原理

毫米波是指波长在1~10mm之间的电磁波，对应的频率范围在30~300GHz之间。毫米波雷达是在毫米波频段工作的雷达，通过发射和接收高频电磁波探测目标，后端信号处理模块利用回波信号计算出目标的距离、速度和角度等信息。

毫米波雷达有5个主要组成部分:发射机、接收机、信号处理机、天线和显示器。由雷达发射机产生的电磁波，经收发转换开关传输给天线。收发转换开关用来使单个天线既能发射电磁波，又能接收电磁波。天线起着将电磁能量耦合到大气中，并接收由目标反射回来的电磁能量的作用，电磁波在大气中以光速传播。雷达天线通常会形成一个集中向某一给定方向传播的电磁波波束，位于天线波束内的物体或目标将会截取一部分传播的电磁能量，且将被截取的能量向各个方向散射，其中部分能量向雷达方向反射(称后向散射)，从而实现发现目标并测定其位置等参数。

毫米波雷达的硬件核心：MMIC芯片和天线PCB板，以FMCW车载雷达系统为例，主要包括:天线、收发模块、信号处理模块。

1、前端单片微波集成电路(MMIC)(供应商:英飞凌、飞思卡尔半导体（中国）有限公司、厦门意行和南京米勒)它包括多种功能电路，如低噪声放大器(LNA)、功率放大器、混频器、甚至收发系统等功能；特点:电路损耗小、噪声低、频带宽、动态范围大、功率大、附加效率高抗电磁辐射能力强等。

2、雷达天线高频PCB板:毫米波雷达天线的主流方案是微带阵列，即将高频 PCB 板集成在普通的 PCB 基板上实现天线的功能，需要在较小的集成空间中保持天线足够的信号强度。

类型

毫米波雷达可以按照工作原理、探测距离和频段进行分类。

1、按工作原理分类毫米波雷达按工作原理的不同可以分为脉冲式毫来波雷达与调频式连续毫来波雷达两类。脉冲式毫来波雷达通过发射脉冲信号与接收脉冲信号之间的时间差来计算目标距离；调频式连续毫来波雷达是利用多普勒效应测量得出不同距离的目标的速度。脉冲式毫米波雷达测量原理简单，但由于受技术、元器件等方面的影响，实际应用中很难实现；目前，大多数车载毫米波雷达都采用调频式连续毫米波雷达。

2、按探测距离分类毫米波雷达按探测距离可分为短程(SRR)、中程(MRR)和远程(LRR)毫米波雷达。短程毫米波雷达一般探测距离小于60m；中程毫米波雷达一般探测距离为 100m 左右；远程毫米波雷达探测距离一般大于 200m。

3、按频段分类毫米波雷达按采用的毫米波频段不同，可分为24CHz、60CHz77GHz和 79GHz毫米波雷达。主流可用频段为24CHz和77GHz，其中24CHz适合近距离探测，77CHz适合远距离探测。

优点

1、频带极宽，如在35GHz、94GHz、140GHz和220GHz这4个主要大气窗口中，可利用的宽分别为16GHz、23GHz、26GHz和70GHz，均接近或大于整个厘米波频段的宽度，适用于各种宽带信号处理。

2、可以在小的天线孔径下得到窄波束，方向性好，有极高的空间分辨力，跟踪精度较高。

3、有较宽的多普勒带宽，多普勒效应明显，具有良好的多普勒分辨力，测速精度较高。

4、地面杂波和多径效应影响小，低空跟踪性能好。

5、毫米波散射特性对目标形状的细节敏感，因而，可提高多目标分辨和对目标识别的能力与成像质量。

6、由于毫米波雷达以窄波束发射，因而使敌方在电子对抗中难以截获。此外由于毫米波雷达作用距离有限，因而使作用距离之外敌方的探测器难以探测。加上干扰机正确指向毫米波雷达的干扰功率信号比指向微波雷达更困难，所以毫米波雷达被截获的概率较低，抗电子干扰性能好。

7、隐身飞行器等目标设计的隐身频率范围局限于1GHz~20GHz，又因为机体等不平滑部位相对毫米波来说更加明显，这些不平滑部位都会产生角反射，从而增加有效反射面积，所以毫米波雷达具有一定的反隐身功能。

8、毫米波与激光和红外相比，虽然它没有后者的分辨力高，但它具有穿透烟灰尘和雾的能力，可全天候工作。

缺点

一、毫米波雷达与微波雷达相比其性能有所下降，原因如下:

1、发射机的功率低。

2、波导股份器件中的损耗大。

二、毫米波雷达与天气的关系很大，降雨时更为严重。

三、在防空环境中，毫米波雷达不可避免的会出现距离模糊和速度模糊。

四、毫米波器件昂贵，不能大批量生产装备。

适用需求

1、高精度多维搜索测量：进行高精度距离、方位、频率和空间位置的测量定位。

2、雷达安装平台有体积、重量、振动和其它环境的严格要求：毫米波雷达天线尺寸小、重量轻，容易满足便携、弹载、车载、机载和星载等不同平台的特殊环境要求。

3、目标特征提取和分类识别：毫米波雷达高分辨力、宽工作频带、大数值的多普勒频率响应、短的波长易获得目标细节特征和清晰轮廓成像等特点，适于目标分类和识别的重要战术要求。

4、小目标和近距离探测：毫米波短波长对应的光学区尺寸较小，相对微波雷达更适于小目标探测。除特殊的空间目标观测等远程毫米波雷达外，一般毫米波雷达适用于30 km 以下的近距离探测。

5、抗电子战干扰性强：毫米波窗口可用频段宽，易进行宽频带扩频和跳频设计。同时针对毫米波雷达的侦察和干扰设备面临宽频带、大气衰减和窄波束等干扰难题，毫米波雷达相对微波雷达具有更好的抗干扰能力。

发展趋势

毫米波雷达与红外传感器、摄像头等并不是相互替代，而是相互补充、相互配合，发挥各自的优势，共同为智慧生活服务。红外传感器受温度影响，超声波雷达的作用距离近、测量精度低，无法探测细小目标。在很多应用场景中，毫米波雷达可以弥补这些技术的不足，还能够高精度地确定移动物体的方向、速度、距离，检测到细微的物体移动。

高度综合、集成和轻小型化

毫米波雷达的应用适应了雷达集成小型化的发展要求，毫米波集成电路的发展是小型化的重点。随着军事电子和信息技术的发展，要求精确打击弹载系统和机载平台等电子系统设备具有多功能、小型化、轻量化和高机动性，对毫米波雷达技术提出了新的要求，研制集雷达、识别、电子战和通信综合一体化的毫米波综合探测射频前端，开发高集成度、高指标和高可靠性的收发模块，实现数字化综合处理和显示，由此达到毫米波系统的高度综合、集成和轻小型化已经成为毫米波技术应用的发展方向。

采用有源相控阵技术

相对机械扫描雷达，相控阵雷达具有多项优势:天线波束的快速扫描能力；天线波束形状的快速变化能力；空间定向与空域滤波能力；扫描和跟踪去耦合的能力；空间功率合成能力；天线与雷达平台的共形能力；多波束形成能力。这些特点对提高毫米波雷达能力，增加雷达的功能，适应现代军事需求的变化，提供了有效保证。电扫和共形对于战术和战略导弹末制导的优势，同时多目标跟踪和低截获抗干扰优势对于直升机载侦察和火控雷达，电扫和轻小体积重量对于空间探测应用等都将牵引和推动毫米波雷达技术，特别是毫米波相控阵技术的快速发展。

战争中，战场电磁控制权的争夺在向毫米波频段发展，毫米波技术成为提高下一代航空武器系统作战能力的重要技术。同时，战场上也相继出现了一大批毫米波雷达和毫米波制导的新式武器和系统，其必须密切关注中国国外毫米波技术发展的新方向，瞄准世界的先进技术，大开展适合中国军战略武器系统的毫米波雷达的应用研究，并加强在诸如近程防空、战场监视、导弹制导、火控和跟踪以及敌我识别等旧的领域技术，在空间应用、电子对抗等新领域开拓创新。

实时平台处理

车载、机载、弹载和星载平台已经成为毫米波雷达的主要应用载体，实时处理已经成为基于平台系统设计的基本要求。因此毫米波雷达的处理平台必将向高集成度、高速度、高处理容量、高度综合化和高可靠性的实时平台处理的方向发展，适应毫米波系统综合小型化的发展方向。

目标分类识别技术

精密跟踪、目标分类识别和雷达图像的景象匹配，是毫米波雷达，特别是毫米波侦察监视雷达、末制导雷达和空间探测雷达的关键技术。采用宽带信号，利用毫米波空间高分辨特性、毫米波成像技术(实孔径成像、合成孔径成像、干涉合成孔径成像和逆合成孔径成像技术)，同时结合高精度跟踪的航迹、速度、加速度和位置信息，辅以幅度、音响、频谱信息是完成目标识别的重要途径。多传感器的信息融合，多平台信息的交互和协同将提高目标识别的效果。