Механизм взаимодействия электромагнитных волн и ограничения физических размеров
Основная причина редкости облаков точек миллиметрового радара вытекает из основных физических законов волновой оптики и электромагнетизма. Основной рабочий диапазон частот автомобильного-радара миллиметрового диапазона составляет от 77 до 79 ГГц, а соответствующая длина волны составляет от 3,8 до 3,9 мм.
Согласно теории отражения электромагнитных волн, относительная шероховатость поверхности объекта определяет характеристики эха. Когда длина волны обнаружения намного превышает размер волнистости поверхности объекта, поверхность выглядит как квази-зеркальная поверхность с точки зрения электромагнитных волн, и результирующее отражение подчиняется закону Снеллиуса, то есть угол падения равен углу отражения.
В городских дорожных сценах металлические поверхности автомобилей, стеклянные навесные стены зданий и плоские асфальтовые покрытия почти все являются «зеркальными поверхностями» для миллиметровых волн с длиной волны, близкой к 4 мм.
Это зеркальное отражение приводит к тому, что большая часть электромагнитной энергии рассеивается в направлении от радара миллиметрового-волна, при этом лишь очень небольшое количество энергии передается обратно к приемной антенне за счет дифракции на краю объекта, вторичного отражения от конструкции углового отражателя или обратного рассеяния от нормального падения.
Напротив, длина волны, используемая лидаром, находится на уровне 905 или 1550 нм, что на три порядка меньше, чем у миллиметровых волн. Многие поверхности объектов являются шероховатыми для лазеров и могут создавать равномерное диффузное отражение, что гарантирует, что все части поверхности объекта могут отражать точки эхо.
Помимо различий в характере отражения, на богатство облака точек также влияют диэлектрическая проницаемость и проводимость самого материала. Будучи хорошим проводником, металл обладает чрезвычайно высокой отражательной способностью для миллиметровых волн, поэтому транспортные средства, ограждения и другие объекты могут образовывать относительно стабильные точки обнаружения. Для не-неметаллических целей, таких как пешеходы, основным компонентом которых является влага, механизм поглощения и рассеяния миллиметровых волн более сложный.
Хотя содержание углерода в человеческом теле делает его несколько отражающим в диапазоне миллиметровых волн, поскольку форма поверхности человеческого тела чрезвычайно неровная и не имеет большой площади плоской или угловой структуры отражения, энергия легко рассеивается в нескольких направлениях, вызывая сильные колебания интенсивности эха.
В некоторых исследованиях проводились эксперименты по этому поводу. Использование моделей человеческого тела с углеродным-покрытием позволяет имитировать характеристики отражения пешеходов. Однако даже в этом случае, когда конечности пешехода находятся под углом относительно луча радара, большое количество радиочастотных сигналов будет отклонено, а не возвращено. Это также объясняет, почему в ракурсе радара миллиметрового-волна облако точек пешеходов не только редкое, но и часто пропускает отдельные части.
Ограничения аппаратной апертуры и углового разрешения еще больше усугубляют дискретность пространственного восприятия. Способность РЛС миллиметрового диапазона различать соседние цели ограничена угловым разрешением антенны, которое физически определяется отношением длины волны к эквивалентной апертуре антенны.
Ограниченный пространством для установки транспортного средства, физический размер антенн радара миллиметрового диапазона не может быть расширен до бесконечности. Из-за этого горизонтальное угловое разрешение традиционных радаров миллиметрового диапазона поддерживается только в пределах от 5 до 10 градусов, и большинство из них не способны воспринимать углы тангажа.
Это означает, что в широком диапазоне лучей, даже если имеется несколько центров отражения, радар миллиметрового диапазона может объединить их в одну точку из-за недостаточного разрешения. Эта неэффективность на уровне «пространственной выборки» фундаментально ограничивает количество облаков точек, которые могут быть созданы в единице пространства, что делает невозможным для радара миллиметровых-волн строить детальные трехмерные-модели посредством сканирования плотным лазерным лучом, такого как лидар.
